鋼管混凝土疊合柱-鋼筋混凝土梁節(jié)點(diǎn)滯回性能有限元分析

趙劍　馬永超　莊金平

(1.福建省土木工程新技術(shù)與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(福建工程學(xué)院)　福建福州　350108 ；2.福州大學(xué)　福建福州　350108)

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鋼管混凝土疊合柱-鋼筋混凝土梁節(jié)點(diǎn)滯回性能有限元分析

趙劍1,2馬永超1,2莊金平1

(1.福建省土木工程新技術(shù)與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(福建工程學(xué)院)福建福州350108 ；2.福州大學(xué)福建福州350108)

為了研究鋼管混凝土疊合柱-鋼筋混凝土梁節(jié)點(diǎn)的傳力機(jī)理，基于ABAQUS有限元軟件建立了非線性有限元模型。模型主要考慮材料和幾何的非線性、混凝土在往復(fù)加卸載下的塑性損傷退化、鋼筋和混凝土的粘結(jié)滑移。和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明：研究所采用的有限元模型對(duì)于梁端力-位移滯回曲線關(guān)系、節(jié)點(diǎn)剛度和梁極限抗彎承載力的模擬與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了該有限元模型可以用于該類節(jié)點(diǎn)的抗震性能分析。

ABAQUS；鋼管混凝土疊合柱；滯回曲線；抗震性能

0　引言

鋼管混凝土疊合柱，又稱為勁性鋼管混凝土柱、鋼管混凝土核心柱或者配有鋼管的鋼骨混凝土柱，是一種新型的組合柱，具有結(jié)構(gòu)承載力高、抗火性能好、經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，在一些實(shí)際工程中得到了應(yīng)用。然而當(dāng)前對(duì)鋼管混凝土疊合柱-鋼筋混凝土梁節(jié)點(diǎn)的抗震性能方面的研究仍然不夠深入。本文基于ABAQUS非線性有限元軟件，提出建立該類模型的方法，并和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，探討了該方法對(duì)于分析該類節(jié)點(diǎn)抗震性能的有效性，從而為進(jìn)一步研究該類型節(jié)點(diǎn)的抗震性能提供依據(jù)。

1　有限元模型

鋼管混凝土疊合柱-鋼筋混凝土梁節(jié)點(diǎn)的滯回性能模擬主要難點(diǎn)在于相應(yīng)的材料本構(gòu)選取、混凝土的損傷演化考慮以及不同材料間的接觸關(guān)系設(shè)置。

1.1材料本構(gòu)

混凝土的本構(gòu)模型采用ABAQUS中提供的混凝土塑性損傷模型(Concrete Damaged Plasticity Model)。對(duì)于混凝土受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，疊合柱鋼管內(nèi)采用韓林海[1]鋼管約束核心混凝土模型，鋼管外的柱混凝土采用Frédéric Légeron[2]鋼筋約束混凝土模型，混凝土樓板和混凝土梁采用Attard[3]素混凝土本構(gòu)，對(duì)于受拉應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，采用沈聚敏[4]混凝土單軸受拉本構(gòu)模型。

由于往復(fù)加載試驗(yàn)，混凝土存在損傷的演化、發(fā)展和累積并最終造成破壞，因此還要考慮混凝土損傷對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響。在ABAQUS中，通過在CDP模型中輸入受壓損傷因子dc和受拉損傷因子dt來對(duì)初始剛度進(jìn)行修正。采用Britel和Mark[5]的模型，計(jì)算公式如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

對(duì)于不同的bc和bt值，損傷因子會(huì)發(fā)生較大的變化。bt取0.2～0.4之間時(shí)對(duì)損傷因子dt的影響不大，而且取值在此范圍內(nèi)較易收斂，本文取bt=0.2，bc=0.7。另外，通過定義兩個(gè)介于0和1之間的參數(shù)ωt和ωc來考慮混凝土由受壓轉(zhuǎn)向受拉和受拉轉(zhuǎn)向受壓的剛度恢復(fù)，取wt=0.5，wc=1。

鋼筋以及鋼管均采用雙折線隨動(dòng)強(qiáng)化模型。強(qiáng)化段彈性模量取0.01倍的各鋼材彈性模量。

1.2單元選擇與接觸設(shè)置

混凝土采用八節(jié)點(diǎn)減縮積分的三維實(shí)體單元，即C3D8R單元。鋼筋采用兩節(jié)點(diǎn)三維線性梁單元，即T3D2單元。對(duì)于鋼管和加勁短鋼梁的翼緣和腹板，采用通用四節(jié)點(diǎn)殼單元S4。

通過定義法向和切向的接觸關(guān)系來模擬鋼管和內(nèi)外混凝土間的接觸關(guān)系。在法線方向，鋼管和外混凝土、鋼管和內(nèi)混凝土間的接觸為“硬接觸”(“Hard Contact”)。在切線方向，混凝土和鋼材之間采用“Penalty”中的“friction coef”來考慮鋼材和混凝土界面間的摩擦力。鋼管和管內(nèi)混凝土的摩擦系數(shù)，取0.25。對(duì)于鋼管和管外混凝土的摩擦系數(shù)取為0.6。

由于加載后期鋼筋和混凝土間發(fā)生粘結(jié)滑移，且對(duì)節(jié)點(diǎn)滯回性能影響較大，因此建模時(shí)通過在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)間設(shè)立三向彈簧來考慮。彈簧剛度如式(3)所示，粘結(jié)滑移模型采用Houde和Mirza[6]模型，表達(dá)式如式(4)所示。

(4)

其中的τ為粘結(jié)應(yīng)力；s為鋼筋和混凝土之間的滑移；fc′為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度。

2　模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證該有限元計(jì)算方法的正確性，對(duì)文獻(xiàn)[7]的4個(gè)試件的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模擬。其中試件CJ-4為帶樓板節(jié)點(diǎn)試件， CJ-1、CJ-2和CJ-3為不帶樓板試件其構(gòu)件尺寸及配筋如圖1所示。支座及加載方式為柱端鉸支座，在梁端進(jìn)行周期往復(fù)加載。

梁柱混凝土均為C60，鋼材材性如表1所示。

表1　鋼材材性　MPa

2.1梁端力-位移滯回曲線

根據(jù)上文所述建模方法建立有限元模型如圖2所示。

梁端力-位移關(guān)系曲線能綜合反映節(jié)點(diǎn)在往復(fù)荷載作用下的受力性能，是進(jìn)一步分析節(jié)點(diǎn)承載力、剛度及強(qiáng)度退化規(guī)律、節(jié)點(diǎn)耗能、節(jié)點(diǎn)延性等參數(shù)的基礎(chǔ)，對(duì)抗震性能有重要意義。由于試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)在加載后期鋼筋與混凝土發(fā)生了明顯的滑移，而且混凝土在往復(fù)加載下發(fā)生了塑性損傷累積，所以，曲線帶有明顯的“捏縮”特點(diǎn)。從圖3可以看出，計(jì)算得到的滯回曲線在極限承載力、初始剛度和加卸載剛度等方面總體吻合良好，基本模擬出了曲線“捏縮”的特點(diǎn)。

2.2骨架線分析

圖4列出了計(jì)算得到的4根試件的梁端荷載(P)-位移(Δ)曲線骨架線和試驗(yàn)骨架線的對(duì)比，從圖中可以看出模擬的骨架線與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。能較好地反映出節(jié)點(diǎn)試件的初期剛度和后期的剛度退化規(guī)律。此見，極限承載力也與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

(a) CJ1 (b) CJ2 (c) CJ3 (d) CJ4

圖3梁端力(P)-位移(Δ)曲線對(duì)比

3　結(jié)論

通過考慮模型的幾何和材料非線性、混凝土損傷、鋼管和內(nèi)外混凝土之間的截面接觸、梁縱筋和混凝土的粘結(jié)滑移，本文提出的建模方法可以較好地模擬出鋼管混凝土疊合柱-鋼筋混凝土梁節(jié)點(diǎn)的滯回性能，對(duì)節(jié)點(diǎn)抗彎初始剛度及極限梁端抗彎承載力均擬合良好。

本文建模方法可以為后續(xù)該類型節(jié)點(diǎn)受力機(jī)理分析以及參數(shù)分析提供依據(jù)。

[1]韓林海．鋼管混凝土結(jié)構(gòu)-理論與實(shí)踐(第二版)[M]．北京：科學(xué)出版社，2007.

[2]Légeron F,Paultre P.Uniaxial confinement model for normal and high-strength concrete columns [J].Journal of Structural Engineering,2003,129(2):241-252.

[3]Attard.M.M,Setunge S.Stress-strain relationship of confined and unconfined concrete [J].Materials Journal,1996,93(5):432-442.

[4]沈聚敏，王傳志，江見鯨．鋼筋混凝土有限元與板殼極限分析[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1993.

[5]Britel V,Mark P.Parameterised finite element modeling of RC beam shear failure.2006 ABAQUS Users’s Conference,2006,95-108.

[6]Saeed M.Mirza,Jules Houde.Study of bond stress-slip relationships in reinforced concrete [J].Journal of the American Concrete Institute.1979,(1):19-46.

[7]Liao FY,Han LH,Tao Z.Behavior of composite joints with concrete encased CFST columns under cyclic loading: experiments [J].Engineering Structures,2014,59(2):745-764.

FEM Analysis on Cyclic Behavior of Joints with Concrete encased CFST Column and RC Beams

ZHAO Jian1,2MA Yongchao1,2ZHUANG Jinping1

(1.Fujian Provincial Key Laboratory of Advanced Technology and Informatization in Civil Engineering(Fujian University of Technology)，F(xiàn)uzhou 350108; 2.Fuzhou University， Fuzhou 350108)

In order to figure out the working mechanism of concrete filled steel tube (CFST) column to reinforced concrete (RC) beam joints,finite element models were established using ABAQUS software.The model has taken account of material and geometry nonlinear,plastic-damage of concrete under cyclic load,and the bond-slip behavior between concrete and steel bars.Comparing with testing result,the finite element models are very effective in explaining the P-Δ hysteretic curve、stiffness of joint and ultimate flexural capacity of beam.Thus the model can be used to analysis seismic performance of this kind of joint.

ABAQUS； Concrete encased CFST column； Hysteretic curve; Seismic performance

福建省自然科學(xué)基金(2015J01182)；福建工程學(xué)院科研啟動(dòng)基金(GY-Z13119)

趙劍(1988-)，男，助理實(shí)驗(yàn)師。

E-mail:zhaojian@fjut.edu.cn

2016-03-10

TU375

A

1004-6135(2016)04-0045-03