早齡期RC框架邊節(jié)點(diǎn)高溫—再養(yǎng)護(hù)后抗震性能有限元分析

張騫尹 史貴臣 滕世斌

利用ABAQUS有限元軟件對(duì)高溫—再養(yǎng)護(hù)后的早齡期鋼筋混凝土（RC）框架邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)。采用實(shí)測的高溫—再養(yǎng)護(hù)后早齡期混凝土本構(gòu)關(guān)系模型以及混凝土塑性損傷模型，較好地模擬了高溫—再養(yǎng)護(hù)后早齡期RC框架邊節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)。將模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，表明模擬得到的破壞形態(tài)、骨架曲線和極限值與試驗(yàn)吻合較好，峰值荷載誤差在5%以內(nèi)?；谝羊?yàn)證的模型進(jìn)行了不同軸壓比的拓展分析，結(jié)果表明軸壓比為0.6左右時(shí)為臨界軸壓比。

早齡期混凝土； 高溫； 邊節(jié)點(diǎn)； 抗震性能； 有限元分析

TU311.3 A

［定稿日期］2022-02-24

［作者簡介］張騫尹（1995—），女，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)榻ㄖ锓罏?zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程。

隨著混凝土的廣泛應(yīng)用，對(duì)其在各種災(zāi)害下的力學(xué)性能研究就顯得尤為重要?；馂?zāi)是一種常見且發(fā)生概率較高的建筑災(zāi)害，備受科研工作者們重視，許多學(xué)者對(duì)此展開了諸多研究［1-3］。然而在施工過程中，很多混凝土構(gòu)件的齡期小于28天（即早齡期），混凝土內(nèi)部水泥水化反應(yīng)尚未完成，混凝土的力學(xué)性能也未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，此時(shí)遭受高溫作用，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)后混凝土的性能變化對(duì)于結(jié)構(gòu)安全有重要影響。張必亮等［4］和苗生龍等［5］和對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期混凝土高溫—再養(yǎng)護(hù)后的力學(xué)性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明：混凝土高溫齡期小于14天且遭受溫度較低（100 ℃）時(shí)，溫度促進(jìn)了混凝土的水化，其抗壓強(qiáng)度有所提高。楊志年等［6］對(duì)早齡期混凝土柱進(jìn)行了高溫后的軸壓試驗(yàn)，結(jié)果表明：隨著養(yǎng)護(hù)齡期減小，柱含水率增大，火災(zāi)下混凝土爆裂更加嚴(yán)重，導(dǎo)致柱抗火性能顯著下降。史貴臣［7］對(duì)高溫—再養(yǎng)護(hù)后RC柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)，結(jié)果表明：經(jīng)高溫作用后，其延性、耗能能力、剛度等均受到不同程度的削弱。

以上研究均處于材料或構(gòu)件層面，對(duì)于結(jié)構(gòu)層面（框架節(jié)點(diǎn)）的研究較少，張騫尹［8］對(duì)高溫—再養(yǎng)護(hù)后的鋼筋混凝土（RC）框架邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了抗震試驗(yàn)，但試件數(shù)量較少，且針對(duì)7天齡期作用下僅考慮了溫度的影響。因此，為了研究高溫—再養(yǎng)護(hù)后的RC框架邊節(jié)點(diǎn)的破壞特性和多參數(shù)的影響，本文基于已有研究的試驗(yàn)結(jié)果，使用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行建模驗(yàn)證，依靠驗(yàn)證后的模型進(jìn)行破壞過程分析和拓展參數(shù)研究，為早齡期高溫后節(jié)點(diǎn)的修復(fù)工作提供幫助。

1 試驗(yàn)概況

文獻(xiàn)［8］對(duì)7天養(yǎng)護(hù)后的RC框架邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了100 ℃、300 ℃和500 ℃的高溫處理，并在高溫后養(yǎng)護(hù)至28天再進(jìn)行低周反復(fù)試驗(yàn)。試件均采用同一尺寸，柱截面尺寸為250 mm×250 mm，高度為1 500 mm；梁截面尺寸為250 mm×150 mm，長度為1 250 mm。試驗(yàn)所用混凝土等級(jí)為C25，高溫—再養(yǎng)護(hù)后立方體抗壓強(qiáng)度為21.46 MPa，所用鋼筋等級(jí)為HPB400，保護(hù)層厚度為30 mm。材性試驗(yàn)結(jié)果和抗震試驗(yàn)結(jié)果詳見文獻(xiàn)［8］。

2 有限元模型建立

2.1 材料屬性及網(wǎng)格屬性

2.1.1 高溫后早齡期混凝土

本文采用2018版ABAQUS中的混凝土塑性損傷模型（CDP），混凝土單元采用精度較高的三維八節(jié)點(diǎn)六面體C3D8R實(shí)體單元?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中暫未找到關(guān)于高溫后早齡期混凝土的本構(gòu)模型研究，但根據(jù)實(shí)測的高溫后早齡期混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線，通過ABAQUS用戶手冊(cè)中的換算方法，即可換算出軟件所需要的應(yīng)力-非彈性應(yīng)變和損傷因子。

2.1.2 鋼筋

由文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)有文獻(xiàn)可知，500 ℃高溫冷卻后鋼材的力學(xué)性能未發(fā)生明顯變化，因此可以采用常溫下鋼材的本構(gòu)方程。鋼材本構(gòu)關(guān)系采用雙折線理想塑性模型［9-10］（圖1），即屈服前為理想彈性，屈服后到極限強(qiáng)度前的硬化剛度為鋼材彈性模量的0.01。其中fy和εy為屈服應(yīng)力和屈服應(yīng)變；fu和εu為極限應(yīng)力和極限應(yīng)變；E0為彈性模量；Es為硬化剛度，Es=0.01E0。

2.2 相互作用

鋼筋通過“embed”約束方式嵌入混凝土中，忽略了鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移。同時(shí)在梁端加載點(diǎn)處設(shè)置參考點(diǎn)，并將參考點(diǎn)與梁端使用“耦合”的約束方式約束起來，便于設(shè)置加載方式與邊界條件。

2.3 邊界條件及加載方式

根據(jù)試驗(yàn)情況，約束了柱端3個(gè)方向的位移，但不約束轉(zhuǎn)動(dòng)，并在一端施加與試驗(yàn)相同的軸壓。在梁端參考點(diǎn)處施加了與試驗(yàn)一致的往復(fù)水平位移。

2.4 網(wǎng)格劃分

經(jīng)試算，混凝土與鋼材網(wǎng)格尺寸采用50 mm時(shí)可以保證較高的計(jì)算精度及計(jì)算效率，模型建立完成圖如圖2所示。

2.5 模型驗(yàn)證

利用上述建模方法及材料屬性對(duì)文獻(xiàn)［8］中的3個(gè)試件進(jìn)行計(jì)算，所有試件的骨架曲線對(duì)比如圖3所示，由圖3可見，有限元模擬的骨架曲線趨勢與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。有限元模型損傷云圖如圖4所示，混凝土的受壓/受拉損傷反應(yīng)了混凝土在往復(fù)加載過程中對(duì)承載力有很大的涌現(xiàn)，破壞形態(tài)吻合較好。極限承載力對(duì)比見表1。由此可見，有限元結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的極限承載力比值平均值為0.973，分析造成誤差的主要原因：①忽略了鋼筋與混凝土的粘結(jié)滑移和混凝土的開裂對(duì)剛度的損傷，導(dǎo)致模擬得到的骨架曲線初始剛度大于實(shí)測值；②混凝土為非線性材料，澆筑和溫度場導(dǎo)致構(gòu)件材料非均勻，因此承載力比模擬結(jié)果小。但最大誤差在5%以內(nèi)，本文建立的有限元模型得到驗(yàn)證，說明此模型能可靠地預(yù)測早齡期RC框架邊節(jié)點(diǎn)高溫后的抗震性能。

3 拓展參數(shù)分析

軸壓比是影響框架邊節(jié)點(diǎn)抗震性能的關(guān)鍵因素之一，考慮到實(shí)際火災(zāi)中混凝土往往遭受較高溫度，因此在骨架曲線及破壞形態(tài)驗(yàn)證了所建立的模型的可靠性的基礎(chǔ)上，選取7d-500-28d試件進(jìn)行多個(gè)軸壓比（0.4，0.6，0.8）的拓展參數(shù)分析。

3.1 破壞形態(tài)

圖5為不同軸壓比下高溫—再養(yǎng)護(hù)后的早齡期RC框架邊節(jié)點(diǎn)的受拉損傷云圖對(duì)比。由圖5可見，不同軸壓比下試件的損傷云圖基本相同，均在梁端和柱節(jié)點(diǎn)中部出現(xiàn)了較大了混凝土損傷，表明此處出現(xiàn)了開裂。不同的是，隨著軸壓比的增大，損傷程度先增大后減?。搭伾顪\程度），軸壓比為0.6時(shí)梁端損傷面積較小，表面軸壓比為0.6左右時(shí)為高溫—再養(yǎng)護(hù)后的早齡期RC框架邊節(jié)點(diǎn)的臨界軸壓比。

3.2 骨架曲線

圖6為不同軸壓比下骨架曲線的對(duì)比。由圖6可見，不同軸壓比的骨架曲線形狀基本相似，均在達(dá)到峰值點(diǎn)后緩慢下降。初始剛度基本相同，這是因?yàn)槌跏紕偠然臼茕摻畈牧闲阅芸刂?，因此差別不大。隨著軸壓比的增大，試件的峰值荷載先減小后增大，軸壓比為0.4、0.6和0.8試件的正負(fù)向峰值荷載均為分別為22.34 kN、18.25 kN和20.74 kN。進(jìn)一步說明軸壓比為0.6左右是高溫—再養(yǎng)護(hù)后的早齡期RC框架邊節(jié)點(diǎn)的臨界軸壓比。

4 結(jié)論

本文利用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)高溫—再養(yǎng)護(hù)后的早齡期RC框架邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元分析，得到幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）利用實(shí)測的高溫—再養(yǎng)護(hù)后的早齡期混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線結(jié)合ABAQUS塑性損傷模型建立的高溫—再養(yǎng)護(hù)后的早齡期RC框架邊節(jié)點(diǎn)模型具有較好的適用性，損傷云圖與試驗(yàn)破壞形態(tài)均為梁端出現(xiàn)較大損傷，骨架曲線吻合較好，峰值承載力誤差在5%以內(nèi)。

（2）不同軸壓比下的破壞形態(tài)和破壞過程基本相似，隨著軸壓比的增大，混凝土損傷先增大后減小，峰值荷載先減小后增大。軸壓比為0.6左右時(shí)為高溫—再養(yǎng)護(hù)后的早齡期RC框架邊節(jié)點(diǎn)臨界軸壓比。

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