袁志仁，任 旺，?？★w，丁家悅，樊建紅，牟效勇，吳家正

(1.長春工程學(xué)院，長春 130012； 2.吉林省土木工程抗震減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130012； 3.吉林省寒區(qū)住宅建設(shè)技術(shù)工程研究中心，長春 130012)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的設(shè)計(jì)觀念越來越新穎，設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是首先確保結(jié)構(gòu)安全、可靠。JGJ 1-2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]中針對框架頂層邊節(jié)點(diǎn)的其中一種構(gòu)造做法是采用柱縱筋向上伸長，梁縱筋錨固在節(jié)點(diǎn)區(qū)的做法。為驗(yàn)證這種接連做法的鋼筋傳力性能、節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土破壞形式或箍筋受力形態(tài)，以及外伸短柱頭能不能保證節(jié)點(diǎn)區(qū)有效傳遞負(fù)彎矩(圖1)，針對采用這種新型構(gòu)造的裝配式頂層節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了加載試驗(yàn)，研究了其受力形態(tài)、彎曲變形和破壞形式。

圖1 柱向上伸長

1 材料的本構(gòu)關(guān)系

材料的本構(gòu)關(guān)系是有限元模擬過程中十分關(guān)鍵的內(nèi)容，準(zhǔn)確的材料本構(gòu)關(guān)系可以精準(zhǔn)地模擬出試件的工作過程，還原該試件的破壞形式、受力形態(tài)等，最終得到較為準(zhǔn)確的極限承載力。

1.1 混凝土本構(gòu)模型

混凝土是一種非各項(xiàng)同性材料，它的本構(gòu)關(guān)系對試件極限承載能力有著巨大的影響。本次ABAQUS采用Concrete Damaged plasticity塑性損傷本構(gòu)模型，這個(gè)模型可以模擬混凝土和其他塑性材料的一些性能，通過將各項(xiàng)異性材料拉、壓異性與損傷相結(jié)合，進(jìn)一步模擬混凝土的塑性，它的屈服函數(shù)有著多硬化塑性和非關(guān)聯(lián)性，進(jìn)一步使得混凝土屈服面的法線方向與塑性流動(dòng)方向不成比例關(guān)系。而且這種模型還可以模擬混凝土在荷載循環(huán)作用下的剛度恢復(fù)這一顯著特征[2]。

對混凝土塑性損傷模型來說，材料的拉裂破壞和壓縮破壞是使混凝土失效的兩個(gè)重要原因。單軸拉伸的力學(xué)行為如圖2(a)所示，混凝土單向壓縮下的應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)鐖D2(b)所示。本文混凝土的名義應(yīng)力、應(yīng)變參考GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]。

1.2 混凝土塑性損傷計(jì)算

通常在ABAQUS中引進(jìn)混凝土的塑性損傷來定義混凝土的失效過程，當(dāng)混凝土不發(fā)生破壞時(shí)，它的損傷因子為0；當(dāng)混凝土達(dá)到完全破壞的時(shí)候，它的損傷因子為1[4]。通常我們認(rèn)為在損傷因子達(dá)到95%時(shí)，混凝土就已經(jīng)失去工作能力。

混凝土的塑損傷與等效塑性應(yīng)變?chǔ)舙l和溫度θ具有一定關(guān)系，如式(1)：

(1)

(a)混凝土單軸拉伸行為

(b)混凝土單軸壓縮行為圖2 混凝土單軸作用下的力學(xué)行為

(2)

(3)

本文采用比例應(yīng)變法，其損傷參數(shù)計(jì)算如式(4)～(7)[5]：

(4)

(5)

(6)

(7)

1.3 鋼筋本構(gòu)模型

在ABAQUS中通過采用典型鋼材塑性來模擬，采用Mises屈服面。本文分析采用理想塑性，在屈服后應(yīng)力不隨著塑性應(yīng)變而變化。鋼筋材料模型采用理想塑性雙折線模型，鋼材應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系如圖3所示[6]。

圖3 鋼材理想彈塑性模型

2 有限元分析模型的建立

2.1 建立部件

根據(jù)梁柱節(jié)點(diǎn)，建立柱的截面尺寸為500 mm×500 mm，高度為3 000 mm，其中柱底距離梁底的高度為1 800 mm。柱縱筋為825，箍筋為8@100(3×3)，混凝土強(qiáng)度采用C30。

梁截面尺寸為300 mm×600 mm，跨度為1 800 mm。梁截面上部縱筋為325，下部縱筋為325，箍筋為8@100/200(2)，混凝土強(qiáng)度采用C30。

根據(jù)梁柱節(jié)點(diǎn)—鋼筋混凝土組合試件尺寸建立有限元分析模型，如圖4所示。

圖4 混凝土及鋼筋模型

2.2 定義材料屬性

表1為混凝土材料屬性，表2為混凝土計(jì)算系數(shù)，表3為鋼材材料屬性。

表1 混凝土材料屬性

表2 混凝土計(jì)算參數(shù)

表3 鋼材材料屬性

2.3 加載制度

將梁、柱的箍筋、縱筋采用內(nèi)置ember作用嵌入到混凝土實(shí)體中來實(shí)現(xiàn)鋼筋與混凝土之間的相互作用。梁端設(shè)置參考點(diǎn)RP與梁的端面定義耦合約束，柱底部通過邊界條件ENCASTRE(約束6個(gè)自由度，U1=UR1=U2=UR2=U3=UR3=0)，梁端面參考點(diǎn)RP約束水平位移(U1=U2=0)，并在參考點(diǎn)RP上施加豎向荷載。

2.4 單元選擇

混凝土采用三維8節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元——C3D8R，鋼筋采用三維桁架單元T3D2，該單元為2節(jié)點(diǎn)線性單元。

3 有限元分析結(jié)果

3.1 鋼筋有限元模型云圖

鋼筋有限元分析結(jié)果如圖5所示。從鋼筋云圖可以看出，在梁柱節(jié)點(diǎn)處的縱筋、箍筋大部分達(dá)到屈服應(yīng)力，說明在梁柱節(jié)點(diǎn)中，梁上部縱筋將拉力轉(zhuǎn)移給混凝土和箍筋。箍筋達(dá)到屈服應(yīng)力后，將進(jìn)一步加劇混凝土核心區(qū)的損傷。

節(jié)點(diǎn)處柱外側(cè)縱筋未達(dá)到屈服應(yīng)力，說明梁上部鋼筋與柱外側(cè)縱筋無搭接長度，不能直接傳力。

3.2 混凝土有限元模型損傷云圖

從圖6混凝土壓縮損傷云圖中可以看出：混凝土柱在節(jié)點(diǎn)區(qū)出現(xiàn)受壓破壞，其損傷程度超出其他部分的混凝土?；炷亮涸诠?jié)點(diǎn)下部未產(chǎn)生較為明顯的受壓破壞情況。

圖5 柱、梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋有限元云圖

從圖7混凝土拉伸損傷云圖中可以看出，節(jié)點(diǎn)處混凝土柱和梁上部混凝土損傷程度接近1.0，基本退出工作。

從兩種混凝土的損傷云圖來看，在梁柱節(jié)點(diǎn)處的受拉破壞較之受壓破壞更為明顯。

3.3 有限元模型荷載—撓度曲線

圖8為有限元荷載—位移曲線。從有限元模型荷載—位移曲線可以看出，當(dāng)位移在0～3 mm時(shí)，隨著位移的增加，荷載也在不斷地增加，此時(shí)荷載—位移呈線性關(guān)系。當(dāng)位移在3～22 mm時(shí)，荷載繼續(xù)增大，但增加的速率比0～3 mm時(shí)的速率小。當(dāng)位移達(dá)到22 mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土受壓破壞，退出工作，此時(shí)試件達(dá)到極限承載力，約為202 kN。

圖6 混凝土壓縮損傷云圖

圖7 混凝土拉伸損傷云圖

4 結(jié)語

1)在梁柱節(jié)點(diǎn)處的縱筋、箍筋大部分達(dá)到屈服應(yīng)力，說明在梁柱節(jié)點(diǎn)中，梁上部縱筋將拉力轉(zhuǎn)移給了混凝土和箍筋。

圖8 有限元荷載—位移曲線

2)節(jié)點(diǎn)處柱外側(cè)縱筋未達(dá)到屈服應(yīng)力，說明梁上部鋼筋與柱外側(cè)縱筋無搭接長度，不能直接傳力。

3)混凝土柱在節(jié)點(diǎn)區(qū)出現(xiàn)受壓破壞，其損傷程度超出其他部分的混凝土?；炷亮涸诠?jié)點(diǎn)下部未產(chǎn)生較為明顯的受壓破壞情況。

4)在梁柱節(jié)點(diǎn)處的受拉破壞較之受壓破壞更為明顯。