混凝土框架邊節點抗震性能分析

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摘要：運用ABAQUS軟件對型鋼再生粗骨料混凝土框架邊節點進行分析，當粗骨料取代率為100%時，分別研究在不同軸壓比和不同核心區體積配箍率下框架邊節點的抗震性能。在建立骨架曲線基礎上的分析數據及結果表明:軸壓比與核心區的體積配筋率對結構抗震性能有很大影響。

關鍵詞：型鋼再生粗骨料混凝土；框架邊節點；有限元分析；抗震性能

當今社會越來越注重綠色建筑理念，為貫徹可持續發展，許多國內的研究者致力于對再生混凝土的材料性能進行研究，但對于再生混凝土還有許多需要我們去探究的地方。型鋼混凝土結構承載能力較好，并且延性比普通混凝土結構高，在耐久性、耐火性方面更勝一籌，所以頻繁的被應用于高層，甚至超高層建筑中。在我國乃至世界，混凝土都是用量最大的建筑材料，在建筑行業的快速發展下，充分利用廢棄材料，在建筑施工時使用型鋼再生混凝土[1]，不僅可以節省資源，而且符合綠色建筑理念。在科技與計算機技術的飛速發展下，對問題的探究不再拘泥于傳統的試驗，我們可以通過運用有限元軟件建立模型進行模擬分析。這樣不僅節省材料，還可以節省許多時間。本文主要通過ABAQUS[2]有限元軟件分析，研究再生粗骨料取代率為100%的型鋼再生混凝土框架邊節點，在不同軸壓比下、不同核心區體積配箍率下的抗震性能。

1型鋼再生混凝土有限元模型

運用ABAQUS軟件建立的型鋼混凝土框架邊節點有限元模型如圖1所示。1.1再生混凝土本構關系。借鑒過鎮海[3]和肖建莊[4]混凝土應力應變曲線，算出在不同軸壓比和不同核心區體積配筋率下的抗拉、抗壓強度。（1）再生混凝土的單軸受壓應力應變曲線y=ax+（3-2a）x2+（a-2）x3x≤1y=x/［b（x-1）2+x］x＞1式中、，其中εc是再生混凝土峰值應變；fc是再生混凝土抗壓強度，N/mm2；a、b的取值與粗骨料取代率r（%）有關，關系為：a=2.2×（0.748r2-1.23r+0.975）；b=0.8×（7.6483r+1.142）。（2）再生混凝土的單軸受拉應力應變曲線y=dx-（d-1）x6x≤1y=x/［αt（x-1）1.7+x］x＞1式中，d是受拉初始彈性模量/峰值割線模量。根據文獻中試驗數據得知：再生混凝土抗拉強度越大，參數αt越大，可按照經驗公式：αt=0.312ft2計算，ft為混凝土抗拉強度，N/mm2。1.2型鋼及鋼筋本構關系模型?；谘芯拷Y構受力機理分析，運用鋼筋彈性-強化模型（如圖2所示）。應力-應變全曲線方程為：бs=Es×εsεs≤εyEs=fy+E's（εs-εy）εs＞εy式中，Es為oa段的斜率，即為彈性段的彈性模量，MPa；E's為ab段的斜率，即為強化段的彈性模量，MPa；fy為材料的屈服強度，MPa；εy為材料的屈服應變，。1.3相互作用。在試驗過程中，應盡量接近現實中的相互作用，而現實中各材料之間相互作用存在著滑移現象。但考慮到試驗的效率以及最初試驗目的是為方便學者借鑒，試驗將材料之間的滑移現象進行忽略，將型鋼、鋼筋與再生混凝土的關系用嵌入來定義，其節點相互作用關系如圖3所示。1.4節點有限元模型邊界條件及加載方式。柱頂柱底可在平面內轉動，柱頂可有軸向位移（即柱底U1=U2=U3=0，UR1=UR3=0，柱頂U1=U2=0，UR1=UR3=0）。在柱底、頂、梁端設置3個受力點，分別為RP-1、RP-2、RP-3，其中RP-1施加柱的軸力，RP-3以位移控制加載豎向力以實現在節點產生水平荷載。

2滯回性能分析

2.1滯回曲線。滯回曲線是指在反復作用下結構的荷載變形曲線，可以通過曲線觀察出構件的抗震性能。在試驗模擬分析過程中，根據不同軸壓比和不同核心區體積配筋率進行研究。（1）軸壓比。當再生粗骨料取代率相同，核心區體積配箍率為0.7％時，選擇軸壓比為0.35、0.45、0.55，得到在不同軸壓比下的滯回曲線如圖4所示。根據圖4分析可知，軸壓比從0.35增加到0.55的過程中，受力變形更快的達到極限，故構件的延性降低，耗能也在降低。（2）核心區體積配箍率。當再生粗骨料取代率相同，軸壓比為0.35時，對核心區體積配箍率分別為0.7％與1％進行研究，得到滯回曲線如圖5所示。根據圖5分析可知，核心區體積配箍率從0.7％增加到1％的過程中，提高了構件的承載能力，箍筋的增加增大了對混凝土的約束，減緩了構件的變形，延性在增加，耗能也在增加。2.2骨架曲線。骨架曲線為滯回曲線的外包絡線。（1）軸壓比。當再生粗骨料取代率與核心區體積配筋率恒定，依照圖4軸壓比為0.35、0.45、0.55的滯回曲線，得到骨架曲線如圖6所示。由圖6可知，軸壓比從0.35增加到0.55時，骨架曲線的下降段下降越來越迅速，峰值有小幅度降低，從骨架曲線可以更明顯地看出軸向壓力越大，水平地震作用產生的變形越大。（2）核心區體積配箍率。控制再生粗骨料取代率不變及軸壓比為0.35，核心區體積配箍率為0.7％與1％的滯回曲線及數據，得到骨架曲線如圖7所示。由圖7可知，隨著體積配箍率的增加，箍筋對核心區混凝土的約束作用越來越強，防止核心區變形，說明增加體積配筋率，構件的性能有了很大改善。延性系數μ可以反映出構件的變形能力，也是評價抗震的重要指標，其式為：μ=Δu/Δy式中Δu為試件極限變形，Δy為初始屈服變形。通過上述模擬得到的滯回曲線，試件的極限位移選取的是峰值荷載0.85倍的最大值，由于不能確定屈服點，所以選用R.Park[5]等效位移確定方法。依照圖6、圖7骨架曲線，可以看到在低周反復地震荷載作用下結構構件力與變形的變化，并結合R.Park法，進行模擬數據，得到結構的變形參數和延性系數，見表1。由表1中數據可以看出，（1）隨著型鋼再生混凝土框架邊節點軸壓比的增加，構件的延性逐漸降低，表明軸壓比對邊節點結構構件的延性影響較大。（2）在核心體積配箍率增加的條件下，可以提高型鋼再生混凝土框架邊節點結構構件的延性。分析結果表明，可以適當的增加核心體積配筋率，這樣可以提高結構構件的延性。2.3耗能能力分析。結構構件的耗能能力根據荷載在滯回曲線中表示為滯回環的面積（如圖8、圖9所示）。根據美國學者Jirsa提出的功比指數Iw的計算公式進行不同條件下功比指數的計算，計算公式見下式，計算結果見表2。式中：Pi表示第i次循環的荷載，N；Δi表示第i次循環荷載的變形，mm；Py表示結構構件的峰值荷載，N；Δy表示結構構件的峰值變形，mm。由圖8、圖9及表2可以看出，隨著的軸壓比的提高，圖形面積越來越小，而表2中隨著軸壓比的增加耗能越來越少。原因是在反復加載下，高軸壓比下的邊節點結構構件容易失去承載能力。而核心區配箍率升高，面積越來越大，表2中數據也在增大，表明結構添加較多的箍筋，變形能力會有所改善。

（1）軸壓比從0.35升高到0.55時，型鋼再生混凝土框架邊節點的抗震性能稍有降低，在延性、剛度方面明顯降低，耗能也在降低。（2）當核心區體積配筋率從0.7%增加到1%時，構件承載和耗能的能力都有所改善，延性也在增加，抗震性能也在逐漸提高。

參考文獻：

[1]董昆鵬.型鋼再生混凝土框架邊節點抗震性能研究[D].吉林:吉林建筑大學,2019.

[2]王金昌,陳葉開.ABAQUS在土木工程中的應用[M].杭州:浙江大學出版社,2006:10-36.

[3]過鎮海.鋼筋混凝土原理[M].第三版.北京:清華大學出版社,2013:19-29.

[4]肖建莊.再生混凝土單軸受壓應力-應變全曲線試驗研究[J].同濟大學學報:自然科學版.2007(11):1445-1449.

[5]ASELNASHAI,BMBRODERICK,PJDOWLING.Earthquake-resistantcompositesteel/concretestructure.TheStructuralEngineer,1995,73(8):121-132.

作者:郭靳時 趙崢 董昆鵬 單位:吉林建筑大學