裝配式部分鋼骨混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能有限元分析

裝配式部分鋼骨混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能有限元分析

0預(yù)制裝配式鋼骨混凝土框架材料有限元分析預(yù)制裝配式鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)具有高質(zhì)量、施工速度快、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，可以縮短施工過程，滿足建筑物產(chǎn)業(yè)化的要求。這是一種公認(rèn)的可持續(xù)發(fā)展技術(shù)?，F(xiàn)在，它只是在研究和開發(fā)的早期階段，對其抗疲勞力的認(rèn)識(shí)不夠，因此需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。許多研究部門已經(jīng)實(shí)施了相關(guān)技術(shù)的應(yīng)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(shù)在研究混凝土力學(xué)性能方面應(yīng)用得越來越廣泛.國內(nèi)外學(xué)者在研究混凝土力學(xué)性能方面做過很多理論分析與試驗(yàn),提出了幾種混凝土本構(gòu)模型.但是由于混凝土材料的性能比較復(fù)雜,到目前為止,各有限元軟件中所用的本構(gòu)模型還沒有一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn).本文對預(yù)制裝配式部分鋼骨混凝土框架的梁柱節(jié)點(diǎn),使用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)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(jié)構(gòu)在循環(huán)和動(dòng)力荷載作用下的受力情況的模型.在低周荷載反向作用時(shí),可以用來模擬混凝土的剛度恢復(fù),能較好地反映混凝土真實(shí)的受力狀態(tài),更為接近地模擬了混凝土在低周反復(fù)荷載作用下的力學(xué)性能.本模型為連續(xù)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(yīng)變和壓縮等效塑性應(yīng)變.混凝土單軸受拉、受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示.單軸拉伸時(shí),混凝土應(yīng)力達(dá)到破壞應(yīng)力σt0之前為線彈性;達(dá)到破壞應(yīng)力σt0之后,裂縫開始在混凝土中發(fā)展,隨著裂縫的不斷發(fā)展混凝土的力學(xué)性能發(fā)生軟化,引起混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變的局部化.單軸壓縮時(shí),混凝土應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力σc0之前為線彈性,超過極限應(yīng)力σcu后為應(yīng)變軟化階段,σc0和σcu之間是強(qiáng)化階段.在低周反復(fù)荷載作用下,混凝土材料的力學(xué)性能比較復(fù)雜,因?yàn)橄绕谛纬傻奈⒘芽p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(fù)荷載作用下,當(dāng)加載方向改變后,彈性剛度有部分會(huì)恢復(fù).混凝土損傷塑性模型可以用無損傷時(shí)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(shù),反映了混凝土受荷載后的損傷程度.關(guān)于損傷因子具體的定義,很多學(xué)者都基于各種理論進(jìn)行過假設(shè)研究.在單軸循環(huán)荷載作用下,可以假設(shè)式中:st和sc為剛度恢復(fù)下的應(yīng)力狀態(tài)函數(shù);權(quán)重因子ωt和ωc與材料自身的性質(zhì)有關(guān),反映了混凝土在低周反復(fù)荷載作用下的剛度恢復(fù)情況.2非線性方程模型的構(gòu)建2.1試件的制作及參數(shù)本文對預(yù)制裝配式部分鋼骨混凝土框架邊柱與梁的連接進(jìn)行了有限元分析.梁、柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30,采用自密實(shí)商品混凝土.鋼骨采用的鋼材牌號(hào)是Q235b,焊接工字鋼采用12mm厚鋼板焊接,連接區(qū)的轉(zhuǎn)換鋼板厚度為20mm.梁柱內(nèi)縱筋級(jí)別為HRB335,箍筋級(jí)別為HPB235.試件的尺寸及配筋形式如圖2所示.2.2材料的結(jié)構(gòu)關(guān)系2.2.1混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范本文非線性分析時(shí)所選用的混凝土本構(gòu)關(guān)系是基于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)附錄C.2推薦的應(yīng)力-應(yīng)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(shí)應(yīng)力σtrue和真實(shí)應(yīng)變?chǔ)舤rue來定義材料的塑性.然而,大多數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)卻是用名義應(yīng)力σnom和名義應(yīng)變?chǔ)舗om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(yīng)力(變)轉(zhuǎn)為真實(shí)應(yīng)力(變):2.2.3強(qiáng)化模型的選擇本文鋼材的本構(gòu)關(guān)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(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為平緩的斜直線,同時(shí)考慮到包辛格效應(yīng)對鋼材加載、卸載過程的影響,故選用隨動(dòng)強(qiáng)化模型.其中,輸入的數(shù)據(jù)均為通過材料強(qiáng)度實(shí)際測得的數(shù)據(jù).2.2.4非彈性階段損傷因子反映了混凝土在低周反復(fù)荷載作用下其剛度的退化特性,可根據(jù)混凝土在非彈性階段時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)變與非彈性應(yīng)變的比值,受拉時(shí)取0.50~0.95,受壓時(shí)取0.35~0.70;εin為混凝土受拉、受壓情況下的非彈性應(yīng)變.2.2.5剛度恢復(fù)因子在低周反復(fù)荷載作用下,混凝土存在一定程度的剛度恢復(fù).在ABAQUS中,可以通過定義剛度恢復(fù)因子wt和wc來表示.大量混凝土試驗(yàn)研究表明,當(dāng)荷載由受拉變受壓時(shí),只要混凝土裂縫閉合就可以使壓縮剛度得到恢復(fù);當(dāng)荷載由受壓變受拉時(shí),出現(xiàn)微裂縫,拉伸剛度不能恢復(fù).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(yù)制裝配式部分鋼骨混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)是由多個(gè)部件構(gòu)成的整體,必須將其在統(tǒng)一的整體坐標(biāo)系中裝配,使其變成一個(gè)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(shè)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(shí),柱下端固定x、y、z三個(gè)方向的位移和x、z兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)角,柱上端固定x、z兩個(gè)方向的位移.豎向施加荷載的狀態(tài)由兩個(gè)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(jù)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(jié)果有很大影響.本文混凝土和鋼骨采用的是減縮積分實(shí)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(shí),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(guān)系.為了不產(chǎn)生應(yīng)力集中,在加載點(diǎn)處設(shè)置了剛性墊片,通過剛體定義參考點(diǎn)與墊板之間的約束關(guān)系.在有限元分析中,網(wǎng)格劃分非常重要,它關(guān)系到計(jì)算的精度跟收斂等問題.網(wǎng)格過密,運(yùn)算時(shí)間過長;網(wǎng)格過大,計(jì)算結(jié)果不精確.經(jīng)過反復(fù)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(jìn)行模擬分析,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行以下比較.3.1混凝土等效塑性應(yīng)變對預(yù)制裝配式部分鋼骨混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周反復(fù)加載.圖4(a)為有限元模型混凝土的等效塑性應(yīng)變云圖.等效塑性應(yīng)變反映了在整個(gè)低周反復(fù)荷載作用下,混凝土塑性損傷的累積.圖4(b)為試驗(yàn)試件的破壞圖.由此可知,塑性變形主要發(fā)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(yàn)最終的破壞形態(tài)非常吻合.3.2有限元模擬的不足滯回曲線是在反復(fù)荷載作用下結(jié)構(gòu)的荷載-變形曲線,它反映了結(jié)構(gòu)在反復(fù)受力過程中的變形特征、剛度退化及能量消耗,是確定恢復(fù)力模型和進(jìn)行非線性地震反應(yīng)分析的依據(jù),體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的抗震性能.圖5(a)為邊柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)荷載-位移曲線,圖5(b)為邊柱節(jié)點(diǎn)有限元荷載-位移曲線.將有限元的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,可以發(fā)現(xiàn)它們之間的共同點(diǎn):(1)在加載初期,當(dāng)位移增量很小時(shí),試件處于彈性階段,變形幾乎能完全恢復(fù),卸載時(shí)無殘余變形.(2)達(dá)到屈服后,承載力有一定的提高,當(dāng)滯回?cái)?shù)增多時(shí),承載力較之前有明顯降低,這主要是由于試件在低周反復(fù)荷載作用下破壞嚴(yán)重,剛度降低,承載力逐漸降低,試件發(fā)生破壞.(3)試驗(yàn)測得構(gòu)件的承載力為283.8kN,有限元模擬出來構(gòu)件的承載力為302.8kN,誤差為6.7%.模擬結(jié)果稍大于試驗(yàn)結(jié)果,這主要是由于試驗(yàn)中鋼材的焊接、鋼筋的綁扎等多方面的施工質(zhì)量因素都會(huì)導(dǎo)致其剛度的降低,而有限元模擬時(shí)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(dǎo)致其整體結(jié)構(gòu)剛度偏大.主要差別在于:(1)有限元模擬出的結(jié)果強(qiáng)化特性比試驗(yàn)明顯,這主要是因?yàn)樵囼?yàn)中的材料不可能是無缺陷的,這跟試件所用的材料、制作、養(yǎng)護(hù)、安裝等因素有很大的關(guān)系,而有限元模擬時(shí)采用的是完全的理想材料.(2)試驗(yàn)中試件的滯回曲線在卸載的過程中發(fā)生明顯的捏縮現(xiàn)象,而有限元模擬出的結(jié)果捏縮現(xiàn)象不太明顯,這主要是因?yàn)樵谠囼?yàn)中,當(dāng)反向加載時(shí),混凝土受拉區(qū)的裂縫還沒完全閉合,其剛度降低,當(dāng)裂縫完全閉合后,受壓區(qū)的混凝土也參與工作,剛度提高.有限元模擬時(shí)通過定義拉、壓損傷因子和拉、壓恢復(fù)系數(shù)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(yīng)的影響,但并不能完全等效模擬.另一個(gè)原因,在試驗(yàn)中鋼骨與混凝土間存在黏結(jié)滑移,導(dǎo)致剛度降低,而有限元模擬時(shí)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(jié)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(yīng)力的區(qū)段平移相連后得到的曲線稱為骨架曲線.圖6為試驗(yàn)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(gè)階段:(1)彈性階段,隨著荷載的增加位移線性增加,如果此時(shí)卸載,剛度將按原來的大小變化回到初始狀態(tài),且有限元模型的剛度要大于試驗(yàn)的剛度;(2)強(qiáng)化階段,有限元與試驗(yàn)的曲線斜率都在逐漸降低,即節(jié)點(diǎn)的剛度在減小;(3)破壞階段,有限元模擬的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果幾乎同時(shí)達(dá)到峰值然后都逐漸降低,注意到試驗(yàn)結(jié)果下降的趨勢明顯快于有限元模擬的結(jié)果.3.4等效黏滯阻尼系數(shù)位移延性系數(shù)可定義為式中:Δu為極限位移,Δy為屈服位移.耗能能力是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在地震作用下變形吸收能量的能力,是用來衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo),可以用能量耗散系數(shù)E和等效黏滯阻尼系數(shù)he來表示,圖7為等效黏滯阻尼系數(shù)示意圖.滯回曲線的等效黏滯阻尼系數(shù)式中:SABCD為構(gòu)件在循環(huán)一周中所耗散的能量;SOEB和SOFD為構(gòu)件在循環(huán)一周中所吸收的能量.能量耗散系數(shù)E可以用構(gòu)件在一個(gè)滯回環(huán)的總能量與彈性能的比值來表示,即有限元與試驗(yàn)的位移延性系數(shù)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(shù)均稍大于試驗(yàn)求得的位移延性系數(shù),主要是因?yàn)樵囼?yàn)過程中混凝土損傷得更為嚴(yán)重,導(dǎo)致其承載力下降得更快,求得的延性系數(shù)與有限元相比偏小.一般而言,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的等效黏滯阻尼系數(shù)為0.1左右,型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的等效黏滯阻尼系數(shù)為0.3左右.本文部分鋼骨混凝土的有限元與試驗(yàn)得到的等效黏滯阻尼系數(shù)分別為0.25和0.29,結(jié)果比較接近,且都介于0.1~0.3,說明有限元模擬的結(jié)果與試驗(yàn)的結(jié)果基本吻合.3.5有限元模擬的試驗(yàn)結(jié)果在循環(huán)反復(fù)荷載的作用下,當(dāng)保持相同的峰點(diǎn)位移時(shí),峰值荷載隨循環(huán)次數(shù)的增多而降低的現(xiàn)象稱為強(qiáng)度退化,可以用強(qiáng)度退化系數(shù)來表示:式中:Pi為第i次循環(huán)加載時(shí)的峰值荷載;Pmax為加載過程中峰值荷載的最大值.強(qiáng)度退化曲線如圖8所示.由圖8可知,有限元模擬的強(qiáng)度退化與試驗(yàn)的強(qiáng)度退化基本趨勢保持一致,有限元模擬的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比更為平緩,并沒有表現(xiàn)出明顯的強(qiáng)度退化現(xiàn)象,主要因?yàn)橛邢拊M時(shí)參數(shù)設(shè)置的理想化,而試驗(yàn)破壞時(shí)強(qiáng)度退化還是較快的.在循環(huán)反復(fù)荷載的作用下,當(dāng)保持相同的峰值荷載時(shí),峰點(diǎn)位移隨循環(huán)次數(shù)的增多而增加的現(xiàn)象稱為剛度退化.剛度退化系數(shù)式中:Pji為加載位移Δ/Δy=j時(shí),第i次循環(huán)加載的峰點(diǎn)處的荷載值;uji為加載位移Δ/Δy=j時(shí),第i次循環(huán)加載的峰點(diǎn)處的變形值;n為循環(huán)加載的次數(shù).剛度退化曲線如圖9所示.由圖9可知,當(dāng)施加的位移較小時(shí),有限元模擬的與試驗(yàn)的剛度退化現(xiàn)象都十分明顯,且有限元模擬的剛度退化更快;進(jìn)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(yàn)證(1)采用規(guī)范的損傷塑性模型與本文給出的參數(shù)能較好地模擬混凝土的力學(xué)性能.(2)在定義鋼材本構(gòu)關(guān)系時(shí),考慮到包辛格效應(yīng)對試件加載、卸載過程的影響,采用隨動(dòng)強(qiáng)化模型更能準(zhǔn)確地模擬鋼材的受力特性.(3)本文建立的有