裝配式混凝土框架鉤掛式中柱節(jié)點(diǎn)的數(shù)值模擬研究

常中權(quán)　李松波　谷偉

摘? 要：通過裝配式混凝土框架鉤掛式中柱節(jié)點(diǎn)的前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用ANSYS軟件構(gòu)建模型并進(jìn)行有限元分析。通過對多種參數(shù)進(jìn)行調(diào)試和低周往復(fù)荷載模擬，得出與實(shí)際試驗(yàn)相似的結(jié)果。結(jié)果表明，摩擦系數(shù)、裂縫系數(shù)、本構(gòu)關(guān)系、約束、邊界條件和接觸對等參數(shù)是試驗(yàn)重點(diǎn)調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)，通過不斷調(diào)試這些參數(shù)，得出與試驗(yàn)相一致的試驗(yàn)結(jié)果。通過非線性數(shù)值模擬得到相近的最不利點(diǎn)，研究最不利點(diǎn)對實(shí)際構(gòu)件有一定的指導(dǎo)作用，由此變換構(gòu)件樣式或參數(shù)，降低最不利點(diǎn)的不利影響。

關(guān)鍵詞：裝配式混凝土? 中柱節(jié)點(diǎn)? 數(shù)值模擬? ANSYS

中圖分類號：TU352.11;TU375.4? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（b）-0052-04

Abstract： Based on the preliminary test data of hook-and-hang typed midcolumn joints for prefabricated concrete frame， the model is built and the finite element analysis is carried out by using ANSYS software. By debugging various parameters and simulating low cycle reciprocating load， the results are similar to the actual test. The results show that the friction coefficient， crack coefficient， constitutive relation， constraint， boundary condition and contact equivalent parameters are the key adjustment data for the test. By continuously adjusting these parameters， the test results consistent with the test are obtained. The most unfavorable points are obtained by nonlinear numerical simulation. The research on the most unfavorable points has a certain guiding role for the actual components， so as to change the component styles or parameters， and reduce the adverse effects of the most unfavorable points.

Key Words： Prefabricated concrete; Midcolumn joints; Numerical simulation; ANSYS

裝配式建筑的研究應(yīng)用，得益于我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的發(fā)展與可持續(xù)戰(zhàn)略的部署[1]。裝配式的梁柱節(jié)點(diǎn)連接形式是裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn)，谷偉? ? ? 等[2]提出了一種鉤掛式連接節(jié)點(diǎn)形式，設(shè)計(jì)并制作了5個(gè)不同對比參數(shù)的節(jié)點(diǎn)試件，開展低周往復(fù)試驗(yàn)研究，分析了試件關(guān)鍵部位的鋼筋和混凝土應(yīng)變、延性系數(shù)、滯回曲線、承載能力和破壞形態(tài)。結(jié)果表明， 鋼筋鉤掛連接處的應(yīng)變速率變化趨勢大體均勻，隨荷載增加，應(yīng)變數(shù)值增大，表明節(jié)點(diǎn)能有效傳遞內(nèi)力，工作性能良好。節(jié)點(diǎn)試件骨架曲線走勢基本一致，表明節(jié)點(diǎn)具有良好的耗能能力和延性性能;試件節(jié)點(diǎn)的薄弱部位是在混凝土后澆區(qū)與預(yù)制節(jié)點(diǎn)邊梁接縫處，此處容易發(fā)生破壞，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)基本完好， 延性系數(shù)較高，滯回曲線較為飽滿，符合強(qiáng)節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)理念。

1? 模型參數(shù)

1.1 試件參數(shù)

如圖1所示[2]，根據(jù)文獻(xiàn)[2]的試件設(shè)計(jì)，為十字形梁柱組合體，本模型選取其中典型的XGJ-2試件進(jìn)行模擬，橫截面尺寸為b×h=0.2m×0.4m，梁段一端的跨度為L=0.7m，梁的上部縱筋為2φ18，下部縱筋為3φ20，預(yù)制混凝土強(qiáng)度等級為C30，后澆區(qū)混凝土強(qiáng)度等級為C35，箍筋采用φ8@100，鋼筋保護(hù)層厚度為0.04m。

1.2 材料性能

通過文獻(xiàn)[2]對模型試件的鋼筋材料和混凝土試塊實(shí)測的力學(xué)性能指標(biāo)，得到C30和C35混凝土的彈性模量分別為31300 MPa和31600 MPa，鋼筋的實(shí)測結(jié)果如表1所示;再根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50010—2010）的相關(guān)規(guī)定，將混凝土受拉壓的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行推算，結(jié)果如圖2和圖3所示。

1.3 模擬加載方案

本模型利用ANSYS有限元分析軟件，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行分離式建模[3]，對試件XGJ-2的建模步驟如下。

（1）打開軟件，進(jìn)入前處理器，分別定義箍筋、上部縱筋、下部縱筋為LINK8的單元類型，定義預(yù)制砼、后澆砼為SOLID65的單元類型。

（2）根據(jù)相應(yīng)鋼筋的截面積，填寫實(shí)常數(shù)，并且賦予混凝土一個(gè)空的實(shí)常數(shù)，便于后期材料參數(shù)的指定。

（3）定義材料屬性，根據(jù)文中給出的圖表，分別為三種鋼筋設(shè)置相應(yīng)的彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度;再為預(yù)制砼與后澆砼設(shè)置相應(yīng)的彈性模量、泊松比、密度、本構(gòu)關(guān)系;剪切傳遞系數(shù)中，開縫系數(shù)設(shè)置為0.4，閉縫系數(shù)為0.95[4];單軸抗拉強(qiáng)度根據(jù)圖表設(shè)置;為了便于計(jì)算收斂，不考慮壓碎情況，將單軸抗壓強(qiáng)度設(shè)為-1[5]。

（4）在相應(yīng)的單元類型、材料、實(shí)常數(shù)的編號之下，分別將各個(gè)部件，按模型尺寸繪制出來，如圖4所示。

（5）對模型進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，對預(yù)制砼與后澆砼接觸位置網(wǎng)格細(xì)化，對梁端和構(gòu)造柱的位置網(wǎng)格粗化，以優(yōu)化模型計(jì)算。

（6）設(shè)置好約束、邊界條件、接觸對，施加低周往復(fù)荷載。將柱頂設(shè)置三維方向位移約束，為了避免局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，將1500kN的恒定軸壓力平均分散到柱頂?shù)拿總€(gè)節(jié)點(diǎn)上;柱底設(shè)置約束，（按圖4）只留Z方向彎矩自由度。左右梁端實(shí)施往復(fù)拉壓加載，加載點(diǎn)距離柱邊緣0.6m，同時(shí)把集中力平分到每個(gè)節(jié)點(diǎn)上;為了便于計(jì)算和貼近實(shí)際操作，設(shè)置以5kN為級差加載，每級加載循環(huán)兩次，循環(huán)一次用時(shí)2s，試件加載到梁縱筋剛好承受120kN（試驗(yàn)屈服點(diǎn)）時(shí)，改用位移控制加載，以2mm為級差加載，每級加載循環(huán)兩次，當(dāng)加載到10mm后，設(shè)定為結(jié)束條件。

2? 數(shù)據(jù)對比

通過后處理，得到相應(yīng)的模擬數(shù)據(jù)。如圖5（a）（b）所示，試件右邊梁的破壞模擬形態(tài)與實(shí)際相類似，破壞位置均發(fā)生在梁柱節(jié)點(diǎn)到預(yù)制-后澆接縫處，裂縫分割出三塊區(qū)域：左區(qū)、右區(qū)和中下區(qū)。其中，左區(qū)壓碎程度嚴(yán)重，中下區(qū)次之，右區(qū)較輕，這與Mises等效應(yīng)力分布圖反映的情況相一致。在模擬加載T=20s時(shí)，第一道裂縫開始出現(xiàn)在左區(qū)，隨著時(shí)間的步進(jìn)，開始慢慢在中下區(qū)出現(xiàn)裂縫，在模型加載到T=95s時(shí)，形成最終的裂縫形態(tài)，此時(shí)應(yīng)力分布云圖中的縱筋位置已達(dá)到屈服強(qiáng)度，這與現(xiàn)實(shí)構(gòu)件的試驗(yàn)現(xiàn)象類似。

如圖5（c）（d）所示，模擬的滯回曲線為弓形，而實(shí)際試驗(yàn)的滯回曲線為捏縮較大的Z形，模擬的滑移影響要比試驗(yàn)的影響小，也比試驗(yàn)的形狀飽滿，塑性變形能力也較強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)低周反復(fù)荷載試驗(yàn)研究性能較好，能較好地吸收地震能量[6]。表明構(gòu)造的模型與實(shí)際構(gòu)造的鋼筋混凝土構(gòu)件試驗(yàn)還存在未知的情況，比如實(shí)際的混凝土構(gòu)件并不一定是平整的輪廓，鋼筋的布置也不會是完全筆直的排布，這些都是不可避免的差距。然而，模型與中柱試件的骨架曲線與實(shí)際的曲線相一致，表明對實(shí)際試驗(yàn)的模擬，可以得到相近的最不利點(diǎn)，通過最不利點(diǎn)展開研究，對實(shí)際的構(gòu)件起到了一定指導(dǎo)作用，由此變換構(gòu)件樣式或參數(shù)，降低最不利點(diǎn)的不利影響。

3? 結(jié)語

（1）通過Mises等效應(yīng)力分布圖、裂縫視圖、滯回曲線等模擬數(shù)據(jù)，結(jié)合試驗(yàn)得到對比組圖，由組圖對比可知，通過比較貼近現(xiàn)實(shí)的有限元分析，可以得出相似的結(jié)論，但由于實(shí)際構(gòu)造的鋼筋混凝土構(gòu)件試驗(yàn)存在未知情況，導(dǎo)致仿真與現(xiàn)實(shí)存在差距。

（2）摩擦系數(shù)、裂縫系數(shù)、本構(gòu)關(guān)系，以及約束、邊界條件和接觸對參數(shù)是試驗(yàn)重點(diǎn)調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)，通過不斷調(diào)試這些參數(shù)，得出與試驗(yàn)相一致的試驗(yàn)結(jié)果。

（3）如果模擬方法正確，各種參數(shù)設(shè)置適當(dāng)，會得到貼近現(xiàn)實(shí)的效果。通過模擬得到相近的最不利點(diǎn)，研究最不利點(diǎn)對實(shí)際構(gòu)件有一定的指導(dǎo)作用，由此變換構(gòu)件樣式或參數(shù)，降低最不利點(diǎn)的不利影響。最終，結(jié)合實(shí)際施工的可行性，可以進(jìn)一步深化，得到更為適合的構(gòu)件樣式。

參考文獻(xiàn)

[1] 常中權(quán)，李松波，谷偉.裝配式混凝土結(jié)構(gòu)抗震研究綜述[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2019（7）：39.

[2] 谷偉，張馨心，李中培，等.裝配式混凝土框架鉤掛式中柱節(jié)點(diǎn)抗震性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2019， 49（11）：33-37.

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