非飽滿灌漿高強(qiáng)底筋錨入式預(yù)制裝配式混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)有限元建模概述

（河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北邯鄲056038；中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，山西 大同 037036）

0 引言

裝配式建筑泛指了各種包括鋼結(jié)構(gòu)建筑在內(nèi)的所有使用干法作業(yè)的建筑結(jié)構(gòu)形式。日本地處太平洋腹地，是一個(gè)典型的島嶼國(guó)家，處在板塊交界處，地震頻發(fā)，人口眾多。二戰(zhàn)后，百?gòu)U待興，迫于發(fā)展的需要，日本國(guó)內(nèi)需要大量新建房屋，傳統(tǒng)建造方式需要大量的勞動(dòng)力，而此時(shí)的日本國(guó)內(nèi)勞動(dòng)力的成本卻在不斷上升。1962年前，日本的預(yù)制裝配式建筑在新建建筑中的占比不足3%，至1990年，日本新建建筑中預(yù)制住宅的比例已經(jīng)攀升到20%。采用產(chǎn)業(yè)化方式生產(chǎn)的住宅占竣工住宅總數(shù)的25%～28%。建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展使得日本很好的解決了勞動(dòng)力成本上漲所帶來(lái)的建筑工業(yè)緊缺的難題。縱觀世界范圍內(nèi)裝配式結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展，每一次的發(fā)展都無(wú)一例外的推動(dòng)了建筑朝著工業(yè)化程度更高的方向發(fā)展，因此，裝配式建筑應(yīng)當(dāng)是建筑行業(yè)今后的主要發(fā)展方向。

1 CAD建模

CAD是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的簡(jiǎn)稱，是包括Autodesk CAD在內(nèi)的各種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的總稱。它的出現(xiàn)改變了設(shè)計(jì)師傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，將圖板搬到了屏幕上，將繪圖工具放進(jìn)了軟件里，從而大大減輕了設(shè)計(jì)師的勞動(dòng)強(qiáng)度，也提高了繪圖速度，是設(shè)計(jì)史上的一次重要飛躍。CAD不僅可以二維繪圖，還可以進(jìn)行三維建模，由于CAD三維建模迅速且快捷，本文將借助Autodesk CAD2015對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三維建模。

建模的第一步需要首先設(shè)置好工作環(huán)境，將CAD的工作環(huán)境設(shè)置為三維空間，建立好坐標(biāo)系。利用直線與拉伸等命令建立節(jié)點(diǎn)三維模型圖，圖一為節(jié)點(diǎn)CAD模型圖。

圖1 節(jié)點(diǎn)CAD模型圖

CAD模型建立完成后需導(dǎo)出ABAQUS兼容的格式，分別將鋼筋和混凝土部件導(dǎo)出為.iges與.sat文件格式，至此，CAD建模的過(guò)程就完成了。

2 有限元建模的主要步驟

ABAQUS是世界著名的大型通用有限元分析軟件，其在非線性分析上更是世界一流的，本文使用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模。

2.1 部件導(dǎo)入與縮放

打開(kāi)ABAQUS有限元分析軟件，選擇導(dǎo)入部件，縮放選擇全局縮放，導(dǎo)入成功的部件會(huì)在部件模塊下顯示出來(lái)。

2.2 材性、截面指派與本構(gòu)模型

材性設(shè)置是指對(duì)每一種材料的屬性進(jìn)行賦予，然后將其分別指派給不同截面，選擇屬性，對(duì)混凝土、鋼筋、套筒分別設(shè)置不同的集合，對(duì)不同的截面也設(shè)置相對(duì)應(yīng)的集合，方便后續(xù)操作。需要注意的是，由于梁縱筋不僅抗彎，還要抗剪，因此，在截面指派時(shí)需要將梁縱筋的截面類型設(shè)置為實(shí)體而非桁架。

ABAQUS中使用本構(gòu)模型來(lái)描述模型受力后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系以及損傷狀況，ABAQUS提供了多種混凝土本構(gòu)模型，有彌散開(kāi)裂模型、脆性開(kāi)裂模型、損傷塑性模型。彌散開(kāi)裂模型是指將混凝土實(shí)際開(kāi)裂時(shí)的裂縫均勻的離散化，并發(fā)展到整個(gè)單元，僅適用于單次加載的情況，由于我們是建立在試件低周反復(fù)荷載的情形下，因此彌散開(kāi)裂模型并不適用；脆性開(kāi)裂模型只考慮了模型非線性的受力行為，適用于沒(méi)有配筋或少量配筋的混凝土結(jié)構(gòu)，如水工結(jié)構(gòu)。而損傷塑性模型同時(shí)考慮了混凝土的壓潰和壓裂，并通過(guò)引入損傷因子來(lái)模擬混凝土進(jìn)入彈塑性階段后的損傷狀況，能夠更加準(zhǔn)確的模擬反復(fù)加載的情形下混凝土的滯回行為，因此本文混凝土本構(gòu)模型選用ABAQUS混凝土損傷塑性模型。《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定鋼筋擁有三種本構(gòu)模型，即完全彈塑性雙直線模型、彈塑性雙斜線模型、完全彈塑性加硬化模型，通過(guò)試驗(yàn)，確定本文所采用的高強(qiáng)底筋存在明顯的應(yīng)力強(qiáng)化現(xiàn)象，因此本文鋼筋選用彈塑性雙斜線模型。

2.3 混凝土本構(gòu)塑性參數(shù)設(shè)置

（1）膨脹角：指的是處在三軸應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土，其受約束效應(yīng)的大小，亦為靜水壓力最大的區(qū)域，取值越小，約束越小，取值越大，約束越大，一般取30～45°，本文取30°。

（2）彈性模量：彈性模量是用來(lái)定義材料屬性的參數(shù)，目前主要是用應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值應(yīng)變所對(duì)的割線模量的大小定義，本文取26985。

（3）泊松比：是指材料在單向受拉或受壓時(shí)，橫向正應(yīng)變與軸向正應(yīng)變的絕對(duì)值的比值，是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)，本文取0.2。

（4）偏心率：偏心率是與屈服面流動(dòng)法則相關(guān)的參數(shù)，混凝土塑性損傷模型采用的是非關(guān)聯(lián)的流動(dòng)法則，本文取默認(rèn)值0.1。

（6）K系數(shù)：影響屈服面形態(tài)的參數(shù)，通常取2/3，即0.6667。

（7）粘性參數(shù)：粘性參數(shù)是與混凝土本構(gòu)方程相關(guān)的參數(shù)，系數(shù)越大，混凝土就越容易收斂，本文取0.001。

2.4 分析步與加載制度

ABAQUS通過(guò)設(shè)置多個(gè)分析步使加載過(guò)程“分解”，分析步的加載過(guò)程一般為選擇分析過(guò)程、選擇荷載、輸出。每一個(gè)分析步都可以選擇不同的荷載、邊界條件與輸出要求。本文的有限元模型分兩步進(jìn)行，在模塊列表中選擇分析步，在ABAQUS中，默認(rèn)的初始分析步是不可更改的，根據(jù)加載過(guò)程，設(shè)置兩個(gè)分析步Step-1、Step-2，Step-1為對(duì)柱頂施加軸壓荷載，Step-2為在梁兩端施加往復(fù)荷載，軸壓荷載的施加一步完成，時(shí)間設(shè)置為1，關(guān)閉幾何非線性；對(duì)于低周往復(fù)荷載的施加，設(shè)定步長(zhǎng)與時(shí)間，根據(jù)加載制度，時(shí)間設(shè)置為44，最大步長(zhǎng)設(shè)置為0.2，打開(kāi)幾何非線性。場(chǎng)輸出管理器中，選擇S、RF、PEEQ、PEEQT、DAMAGEC、DAMAGECT。PEEQ與PEEQT用于應(yīng)變輸出，主要用于查看混凝土應(yīng)變，DAMAGEC與DAMAGET用于查看混凝土的受壓與受拉損傷狀況。Mises應(yīng)力用于查看鋼筋的應(yīng)力。

本文在ABAQUS有限元分析軟件中對(duì)模型進(jìn)行低周往復(fù)擬靜力加載，所謂低周往復(fù)加載指的是通過(guò)采取力控制法、位移控制法及力與位移混合控制法對(duì)試件在正反兩個(gè)方向以低速率加載，往復(fù)加載的目的是為了模擬和地震相同的工況，由此得到的試件的最終破壞形態(tài)、恢復(fù)特性、以及變形情況為試件擬真實(shí)破壞狀態(tài)。本文采用的時(shí)位移控制法加載，如表1為試件的加載制度。

表1 加載制度Table2-2 Horizontal Loading System

2.5 相互作用-接觸與邊界條件

2.6 荷載施加與網(wǎng)格劃分

圖2 試件整體網(wǎng)格劃分

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，有限元分析軟件提供了一種方便且經(jīng)濟(jì)的模擬工具，尤其對(duì)于非線性分析而言，本文闡述了非飽滿灌漿高強(qiáng)底筋錨入式預(yù)制鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)建模的主要步驟，以期為更多研究者提供參考，也能為今后需要參數(shù)化分析的研究者提供一種有限元建模的方法。