在不同軸力下鋼筋混凝土框架柱的力學(xué)性能分析

劉曉

[摘要]“強(qiáng)柱弱梁”“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”是我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)概念，在地震來(lái)臨時(shí)鋼筋混凝土框架柱以及節(jié)點(diǎn)一直都是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師重點(diǎn)關(guān)注的部位。擬通過Abaqus有限元軟件對(duì)框架柱與基礎(chǔ)的連接處進(jìn)行在不同軸力下的模擬，觀察其滯回曲線及應(yīng)力變化，得到低周往復(fù)循環(huán)加載時(shí)，不同的軸力對(duì)鋼筋混凝土框架柱節(jié)點(diǎn)的不同影響。具體分析研究了節(jié)點(diǎn)的變形和破壞情況，地震作用下結(jié)構(gòu)的抗震強(qiáng)度等，并且通過本文提出合理有效的改善方法。

[關(guān)鍵詞]框架結(jié)構(gòu)； ABAQUS有限元模擬； 低周往復(fù)荷載； 滯回曲線； 模擬分析

[中國(guó)分類號(hào)]TU398+.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

0引言

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是現(xiàn)目前國(guó)內(nèi)使用最為廣泛的結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)要素簡(jiǎn)單，能夠適用于多種不同空間需要，通常構(gòu)件都是統(tǒng)一支模澆筑，可以使得建筑物整體性更好，抗震性能更強(qiáng)，但也會(huì)因?yàn)槭┕栴}使得節(jié)點(diǎn)與構(gòu)件的整體性和穩(wěn)定性存在一些不足［1］。在受到地震作用的時(shí)候，框架結(jié)構(gòu)最容易出現(xiàn)問題的地方便是節(jié)點(diǎn)處，因此框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)處是重點(diǎn)的關(guān)注部位。

本文采用有限元計(jì)算軟件ABAQUS對(duì)鋼筋混凝土框架柱節(jié)點(diǎn)連接處進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬在地震作用下，柱關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在不同樓層時(shí)的受力及變形分析。

1算例設(shè)計(jì)

1.1模型數(shù)據(jù)

本文根據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)出的普通鋼筋混凝土十字節(jié)點(diǎn)，通過ABAQUS軟件中施加固定的低周往復(fù)位移來(lái)模擬受地震作用下的節(jié)點(diǎn)變形情況，并且通過施加四個(gè)不同的豎向軸力荷載分別作用在柱頂端，從而分析對(duì)比得出柱關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處的破壞情況。

模擬地震作用：通過控制位移加載法，從0開始第一周期為10 mm的位移往后每一周加增加5 mm的位移，單向反復(fù)位移加載如圖1所示。

1.2材料本構(gòu)模型

本文將塑性損傷模型作為本次仿真模擬的混凝土本構(gòu)模型，這是最為常用的本構(gòu)模型，能夠較好地模擬出實(shí)際的效果，其中塑性損傷模型的塑性參數(shù)設(shè)置如下：Dilation Angle=30°，Eccentricity=0.1，fb0/fc0= 1.16，k=0.667，Viscosity Parameter= 0.005。

由于混凝土在受到循環(huán)荷載下會(huì)出現(xiàn)微裂縫，這種情況下出現(xiàn)的裂縫會(huì)使得混凝土產(chǎn)生不可恢復(fù)的損傷，因此需要受拉損因子來(lái)平衡受拉損傷，在選取的泵偶模型中受壓損傷會(huì)出現(xiàn)剛度退化的現(xiàn)象，由此當(dāng)混凝土受到壓應(yīng)力的時(shí)候需要考慮壓縮損傷因子。

1.3有限元建模

本文的混凝土柱和基礎(chǔ)選擇三維實(shí)體單元，鋼筋選擇桁架單元，從而建立基礎(chǔ)、柱子、鋼筋等部件［3］。

分析過程是由一系列的分析步組成的，在分析步模塊下創(chuàng)建一個(gè)集中荷載分析步和位移加載分析步，在柱的頂部創(chuàng)建一個(gè)參考點(diǎn)RP-1，通過創(chuàng)建一個(gè)耦合的相互作用將柱頂?shù)谋砻孀饔玫浇⒌膮⒖键c(diǎn)上，隨后施加的豎向荷載以及低周位移加載都將施加在耦合作用的參考點(diǎn)上，通過在頂部創(chuàng)建位移約束，并設(shè)置幅值為1 mm。這樣做的目的是為了考慮到計(jì)算精度和結(jié)構(gòu)的收斂情況，同時(shí)在柱頂分別施加豎向軸力，對(duì)柱底端定義邊界條件，限制x、y、z方向的平動(dòng)自由度和各個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，即添加邊界條件為完全固定［4］。

比較關(guān)注的上部受力柱部分采用了30的近似全局尺寸，對(duì)于下部固定約束的基礎(chǔ)部分采用了100的近似全局尺寸，這樣能更好地模擬真實(shí)情況并且加快運(yùn)算速度，網(wǎng)格劃分如圖2所示［5］。

2算例分析

2.1節(jié)點(diǎn)力和位移隨時(shí)間變化曲線

在后處理界面，選擇XY數(shù)據(jù)中的ODB場(chǎng)變量輸出方式，選擇施加節(jié)點(diǎn)位移的參考點(diǎn)，選取位移和反應(yīng)力來(lái)驗(yàn)證施加位移的節(jié)點(diǎn)的位移是否與實(shí)際模擬的地震低周位移相同，由此可以大概看出建模正確性。

由圖3可以看出，節(jié)點(diǎn)力與時(shí)程的變化不是特別的規(guī)律，在5 s之前荷載處于第一個(gè)分析步時(shí)只有一個(gè)豎向軸力加在上面，所以應(yīng)力變化很規(guī)律，到了5 s之后進(jìn)入第二個(gè)分析，此時(shí)施加了水平往復(fù)位移與軸向力疊加，最后得出應(yīng)力變化圖。

2.2滯回曲線對(duì)比分析

F1豎向力作用下的滯回曲線如圖4所示，滯回曲線主要意義是在地震時(shí)，結(jié)構(gòu)吸收能量和耗散的能力，在滯回曲線圖中橫縱坐標(biāo)的乘積代表著能量，也就是說將這多個(gè)滯回環(huán)所包圍的面積求和就可以反映出結(jié)構(gòu)在對(duì)抗外來(lái)荷載時(shí)吸收能量的大?。皇侵饕u(píng)定結(jié)構(gòu)所消耗能量的重要數(shù)據(jù)，顯示了在反復(fù)載荷的作用下，節(jié)點(diǎn)的變形情況和能量消耗。由圖4中可以看出滯回曲線都是比較飽滿的，都可以較為有效的吸收能量，當(dāng)?shù)卣饋?lái)臨時(shí)結(jié)構(gòu)的抗震性能是很好的。

2.3節(jié)點(diǎn)應(yīng)力變化分析

由應(yīng)力云圖可以大概看出結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)，以及混凝土的主要承受的是壓力等結(jié)論，故當(dāng)?shù)卣鹨u來(lái)的時(shí)候框架結(jié)構(gòu)受到一個(gè)水平的往復(fù)荷載，柱下端的變形會(huì)較大，以及在柱和基礎(chǔ)連接的部位內(nèi)部鋼筋受到較大的應(yīng)力。從圖5中的應(yīng)力圖例可以看出，混凝土所受到的最大應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到了540MPa了，說明此時(shí)的鋼筋已經(jīng)達(dá)到了屈服。從圖5以及圖6看出，不同樓層受到的力以及位移完全不同，其中越靠上的柱會(huì)產(chǎn)生更大的位移變形。

3結(jié)論

通過上述對(duì)鋼筋混凝土框架柱進(jìn)行應(yīng)力、位移等分析，可以得出幾點(diǎn)結(jié)論：鋼筋混凝土框架柱最先發(fā)生破壞的部位就是柱與基礎(chǔ)連接節(jié)點(diǎn)處；當(dāng)框架柱結(jié)構(gòu)受到地震作用時(shí)，不同樓層受到的力以及位移完全不同，其中越靠上的柱會(huì)產(chǎn)生更大的位移變形，這是由于起決定性作用的是地震波帶來(lái)的水平往復(fù)荷載。由于在發(fā)生破壞的時(shí)候，上層柱的破壞程度時(shí)大于下層的，因此上層柱在抵抗地震能量的能力也是弱于下層的柱子，由此可以想到的是加強(qiáng)上部的結(jié)構(gòu)構(gòu)件吸收能量的能力。具體的措施可以考慮增加混凝土墩，或者提高混凝土強(qiáng)度調(diào)整軸壓比，這些措施都可以改善鋼筋混凝土框架柱的破壞情況。

參考文獻(xiàn)

［1］孫志誠(chéng)，郭迅，陳波.鋼筋強(qiáng)度對(duì)鋼筋混凝土框架柱破壞模式的影響［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2020，20（34）：14157-14165.

［2］全學(xué)友，劉金平，劉寶，等.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抽柱改造關(guān)鍵問題及其解決方法［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2020，50（15）：1-7.

［3］李明，張亮泉.鋼筋混凝土框架柱損傷模型研究［J］.安徽建筑，2020，27（4）：92-93.

［4］龍俊良.建筑工程鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究［J］.建材與裝飾，2019（27）：10-11.

［5］陸海燕，邢彤，鮑文博.鋼筋混凝土框架柱加固設(shè)計(jì)與分析［J］.低溫建筑技術(shù)，2014，36（10）：45-47.

［6］陳林. 鋼筋混凝土框架異型中節(jié)點(diǎn)抗剪承載力及ABAQUS非線性有限元分析［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2012.