裝配式部分鋼骨混凝土框架梁柱節點力學性能有限元分析

0預制裝配式鋼骨混凝土框架材料有限元分析預制裝配式鋼骨混凝土結構具有高質量、施工速度快、節能環保等優點，可以縮短施工過程，滿足建筑物產業化的要求。這是一種公認的可持續發展技術。現在，它只是在研究和開發的早期階段，對其抗疲勞力的認識不夠，因此需要進行進一步的研究。許多研究部門已經實施了相關技術的應用，并率先成功建造了示范工程。隨著有限元模擬方法的不斷成熟,有限元模擬技術在研究混凝土力學性能方面應用得越來越廣泛.國內外學者在研究混凝土力學性能方面做過很多理論分析與試驗,提出了幾種混凝土本構模型.但是由于混凝土材料的性能比較復雜,到目前為止,各有限元軟件中所用的本構模型還沒有一個統一標準.本文對預制裝配式部分鋼骨混凝土框架的梁柱節點,使用ABAQUS有限元分析軟件進行非線性有限元分析.1拉伸和壓縮變形混凝土損傷塑性模型是用來分析混凝土結構在循環和動力荷載作用下的受力情況的模型.在低周荷載反向作用時,可以用來模擬混凝土的剛度恢復,能較好地反映混凝土真實的受力狀態,更為接近地模擬了混凝土在低周反復荷載作用下的力學性能.本模型為連續的、基于塑性的混凝土損傷模型.假定混凝土材料主要因拉伸和壓縮破碎而破壞.屈服或破壞面的演化由控制.分別表示拉伸等效塑性應變和壓縮等效塑性應變.混凝土單軸受拉、受壓應力-應變曲線如圖1所示.單軸拉伸時,混凝土應力達到破壞應力σt0之前為線彈性;達到破壞應力σt0之后,裂縫開始在混凝土中發展,隨著裂縫的不斷發展混凝土的力學性能發生軟化,引起混凝土結構應變的局部化.單軸壓縮時,混凝土應力達到屈服應力σc0之前為線彈性,超過極限應力σcu后為應變軟化階段,σc0和σcu之間是強化階段.在低周反復荷載作用下,混凝土材料的力學性能比較復雜,因為先期形成的微裂縫存在張開與閉合兩種情況,而且它們之間存在著相互作用.在低周反復荷載作用下,當加載方向改變后,彈性剛度有部分會恢復.混凝土損傷塑性模型可以用無損傷時的彈性模量E0與損傷因子d來表示損傷后的彈性模量,即損傷因子d是混凝土單軸損傷變量dt和dc的函數,反映了混凝土受荷載后的損傷程度.關于損傷因子具體的定義,很多學者都基于各種理論進行過假設研究.在單軸循環荷載作用下,可以假設式中:st和sc為剛度恢復下的應力狀態函數;權重因子ωt和ωc與材料自身的性質有關,反映了混凝土在低周反復荷載作用下的剛度恢復情況.2非線性方程模型的構建2.1試件的制作及參數本文對預制裝配式部分鋼骨混凝土框架邊柱與梁的連接進行了有限元分析.梁、柱混凝土強度等級均為C30,采用自密實商品混凝土.鋼骨采用的鋼材牌號是Q235b,焊接工字鋼采用12mm厚鋼板焊接,連接區的轉換鋼板厚度為20mm.梁柱內縱筋級別為HRB335,箍筋級別為HPB235.試件的尺寸及配筋形式如圖2所示.2.2材料的結構關系2.2.1混凝土結構設計規范本文非線性分析時所選用的混凝土本構關系是基于《混凝土結構設計規范》(GB50010—2010)附錄C.2推薦的應力-應變曲線得出的.受拉:受壓:2.2.2材料的塑性在ABAQUS中,必須用真實應力σtrue和真實應變εtrue來定義材料的塑性.然而,大多數試驗數據卻是用名義應力σnom和名義應變εnom表示的.因此,基于塑性變形的不可壓縮性,可用下式將材料的名義應力(變)轉為真實應力(變):2.2.3強化模型的選擇本文鋼材的本構關系采用的是雙折線模型,如圖3所示.該模型中,鋼材屈服后的應力-應變關系為平緩的斜直線,同時考慮到包辛格效應對鋼材加載、卸載過程的影響,故選用隨動強化模型.其中,輸入的數據均為通過材料強度實際測得的數據.2.2.4非彈性階段損傷因子反映了混凝土在低周反復荷載作用下其剛度的退化特性,可根據混凝土在非彈性階段時的應力-應變,按照下式求出:式中:t、c分別表示混凝土受拉、受壓;β為塑性應變與非彈性應變的比值,受拉時取0.50~0.95,受壓時取0.35~0.70;εin為混凝土受拉、受壓情況下的非彈性應變.2.2.5剛度恢復因子在低周反復荷載作用下,混凝土存在一定程度的剛度恢復.在ABAQUS中,可以通過定義剛度恢復因子wt和wc來表示.大量混凝土試驗研究表明,當荷載由受拉變受壓時,只要混凝土裂縫閉合就可以使壓縮剛度得到恢復;當荷載由受壓變受拉時,出現微裂縫,拉伸剛度不能恢復.2.3剛性墊片及邊界條件在ABAQUS中分別建立混凝土、鋼筋、鋼骨和墊片的部件,由于預制裝配式部分鋼骨混凝土框架梁柱節點結構是由多個部件構成的整體,必須將其在統一的整體坐標系中裝配,使其變成一個整體.為了防止混凝土受到局壓破壞,在柱上、下端和梁上、下端設置剛性墊片.墊片與梁柱之間的接觸采用綁定約束.施加邊界條件時,柱下端固定x、y、z三個方向的位移和x、z兩個方向的轉角,柱上端固定x、z兩個方向的位移.豎向施加荷載的狀態由兩個分析步完成:第一步,只需在柱上施加恒定荷載,荷載的大小可根據軸壓比反推得到;第二步,在梁上施加位移荷載.2.4有限元模型分析單元選擇對模擬結果有很大影響.本文混凝土和鋼骨采用的是減縮積分實體單元C3D8R,鋼筋采用的是桁架單元T3D2.在定義它們之間的約束時,鋼骨與鋼筋整體合并組成鋼骨架,再將鋼骨架嵌入混凝土單元中來模擬鋼骨、鋼筋與混凝土之間的關系.為了不產生應力集中,在加載點處設置了剛性墊片,通過剛體定義參考點與墊板之間的約束關系.在有限元分析中,網格劃分非常重要,它關系到計算的精度跟收斂等問題.網格過密,運算時間過長;網格過大,計算結果不精確.經過反復試算,本文鋼骨、鋼筋單元取30mm,混凝土單元取50mm.3有限域分析通過ABAQUS軟件對該模型進行模擬分析,并與試驗結果進行以下比較.3.1混凝土等效塑性應變對預制裝配式部分鋼骨混凝土框架邊節點進行低周反復加載.圖4(a)為有限元模型混凝土的等效塑性應變云圖.等效塑性應變反映了在整個低周反復荷載作用下,混凝土塑性損傷的累積.圖4(b)為試驗試件的破壞圖.由此可知,塑性變形主要發生在梁與加載墊片接觸部分和梁的鋼骨連接部分,這與試驗最終的破壞形態非常吻合.3.2有限元模擬的不足滯回曲線是在反復荷載作用下結構的荷載-變形曲線,它反映了結構在反復受力過程中的變形特征、剛度退化及能量消耗,是確定恢復力模型和進行非線性地震反應分析的依據,體現了結構的抗震性能.圖5(a)為邊柱節點試驗荷載-位移曲線,圖5(b)為邊柱節點有限元荷載-位移曲線.將有限元的模擬結果與試驗結果進行比較,可以發現它們之間的共同點:(1)在加載初期,當位移增量很小時,試件處于彈性階段,變形幾乎能完全恢復,卸載時無殘余變形.(2)達到屈服后,承載力有一定的提高,當滯回數增多時,承載力較之前有明顯降低,這主要是由于試件在低周反復荷載作用下破壞嚴重,剛度降低,承載力逐漸降低,試件發生破壞.(3)試驗測得構件的承載力為283.8kN,有限元模擬出來構件的承載力為302.8kN,誤差為6.7%.模擬結果稍大于試驗結果,這主要是由于試驗中鋼材的焊接、鋼筋的綁扎等多方面的施工質量因素都會導致其剛度的降低,而有限元模擬時各部件之間的接觸是采用完全理想化的接觸方式來定義的,導致其整體結構剛度偏大.主要差別在于:(1)有限元模擬出的結果強化特性比試驗明顯,這主要是因為試驗中的材料不可能是無缺陷的,這跟試件所用的材料、制作、養護、安裝等因素有很大的關系,而有限元模擬時采用的是完全的理想材料.(2)試驗中試件的滯回曲線在卸載的過程中發生明顯的捏縮現象,而有限元模擬出的結果捏縮現象不太明顯,這主要是因為在試驗中,當反向加載時,混凝土受拉區的裂縫還沒完全閉合,其剛度降低,當裂縫完全閉合后,受壓區的混凝土也參與工作,剛度提高.有限元模擬時通過定義拉、壓損傷因子和拉、壓恢復系數來模擬混凝土開裂、閉合的情況,這在一定程度上考慮了捏縮效應的影響,但并不能完全等效模擬.另一個原因,在試驗中鋼骨與混凝土間存在黏結滑移,導致剛度降低,而有限元模擬時采用的是嵌入式來模擬鋼骨與混凝土之間的接觸,并未考慮其黏結滑移.3.3荷載-位移骨架曲線將同方向(拉或壓)加載的荷載-變形曲線中,超過前一次加載最大應力的區段平移相連后得到的曲線稱為骨架曲線.圖6為試驗與有限元得到的梁端荷載-位移骨架曲線,其呈S形,說明在加載過程中可分為3個階段:(1)彈性階段,隨著荷載的增加位移線性增加,如果此時卸載,剛度將按原來的大小變化回到初始狀態,且有限元模型的剛度要大于試驗的剛度;(2)強化階段,有限元與試驗的曲線斜率都在逐漸降低,即節點的剛度在減小;(3)破壞階段,有限元模擬的結果與試驗結果幾乎同時達到峰值然后都逐漸降低,注意到試驗結果下降的趨勢明顯快于有限元模擬的結果.3.4等效黏滯阻尼系數位移延性系數可定義為式中:Δu為極限位移,Δy為屈服位移.耗能能力是結構或構件在地震作用下變形吸收能量的能力,是用來衡量結構抗震性能的重要指標,可以用能量耗散系數E和等效黏滯阻尼系數he來表示,圖7為等效黏滯阻尼系數示意圖.滯回曲線的等效黏滯阻尼系數式中:SABCD為構件在循環一周中所耗散的能量;SOEB和SOFD為構件在循環一周中所吸收的能量.能量耗散系數E可以用構件在一個滯回環的總能量與彈性能的比值來表示,即有限元與試驗的位移延性系數及耗能見表1.由表1可知,有限元模擬求出的位移延性系數均稍大于試驗求得的位移延性系數,主要是因為試驗過程中混凝土損傷得更為嚴重,導致其承載力下降得更快,求得的延性系數與有限元相比偏小.一般而言,鋼筋混凝土結構的等效黏滯阻尼系數為0.1左右,型鋼混凝土結構的等效黏滯阻尼系數為0.3左右.本文部分鋼骨混凝土的有限元與試驗得到的等效黏滯阻尼系數分別為0.25和0.29,結果比較接近,且都介于0.1~0.3,說明有限元模擬的結果與試驗的結果基本吻合.3.5有限元模擬的試驗結果在循環反復荷載的作用下,當保持相同的峰點位移時,峰值荷載隨循環次數的增多而降低的現象稱為強度退化,可以用強度退化系數來表示:式中:Pi為第i次循環加載時的峰值荷載;Pmax為加載過程中峰值荷載的最大值.強度退化曲線如圖8所示.由圖8可知,有限元模擬的強度退化與試驗的強度退化基本趨勢保持一致,有限元模擬的結果與試驗結果相比更為平緩,并沒有表現出明顯的強度退化現象,主要因為有限元模擬時參數設置的理想化,而試驗破壞時強度退化還是較快的.在循環反復荷載的作用下,當保持相同的峰值荷載時,峰點位移隨循環次數的增多而增加的現象稱為剛度退化.剛度退化系數式中:Pji為加載位移Δ/Δy=j時,第i次循環加載的峰點處的荷載值;uji為加載位移Δ/Δy=j時,第i次循環加載的峰點處的變形值;n為循環加載的次數.剛度退化曲線如圖9所示.由圖9可知,當施加的位移較小時,有限元模擬的與試驗的剛度退化現象都十分明顯,且有限元模擬的剛度退化更快;進入屈服階段以后,剛度退化趨勢基本保持一致,且相差越來越小.4有限元模型驗證(1)采用規范的損傷塑性模型與本文給出的參數能較好地模擬混凝土的力學性能.(2)在定義鋼材本構關系時,考慮到包辛格效應對試件加載、卸載過程的影響,采用隨動強化模型更能準確地模擬鋼材的受力特性.(3)本文建立的有