蘇 駿， 吳 鵬， 汪思維

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

UHTCC新型框架邊節(jié)點(diǎn)抗震性能非線性分析

蘇 駿， 吳 鵬， 汪思維

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

為了研究UHTCC新型框架邊節(jié)點(diǎn)在擬靜力條件下的抗震基本性能，采用OpenSEES分析軟件對UHTCC新型框架抗震節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了非線性數(shù)值模擬，分析了高韌性水泥基復(fù)合材料(UHTCC)在節(jié)點(diǎn)區(qū)的澆筑范圍對抗震節(jié)點(diǎn)基本性能的影響。結(jié)果表明：有限元分析結(jié)果能較好反應(yīng)UHTCC框架邊節(jié)點(diǎn)的抗震性能，說明數(shù)值模擬所選取的材料參數(shù)以及本構(gòu)關(guān)系具有較好的合理性和適用性，可為今后類似試驗(yàn)研究和理論分析提供依據(jù)。

高韌性水泥基材料； 低周反復(fù)荷載； OpenSEES； 抗震性能

節(jié)點(diǎn)的傳力可靠是保證框架結(jié)構(gòu)在地震作用下安全性的重要條件。在地震作用下框架結(jié)構(gòu)的損傷甚至破壞主要是由于框架節(jié)點(diǎn)區(qū)的變形能力不足或耗能能力差，框架梁柱節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)抗震能力的薄弱部位[1]。“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”是多高層抗震設(shè)計(jì)中必須遵循的一條基本原則，目的是為了保證結(jié)構(gòu)發(fā)生延性破壞，在破壞前會產(chǎn)生明顯的變形，而不是發(fā)生瞬間的脆性破壞。通?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵部位在受到周期反復(fù)荷載作用時(shí)會產(chǎn)生很大的內(nèi)力，大量的震害調(diào)查表明，鋼筋混凝土框架的損傷與破壞多集中于節(jié)點(diǎn)及其附近區(qū)域，大多框架結(jié)構(gòu)的破壞都可歸咎于節(jié)點(diǎn)區(qū)域的破壞，主要是由于節(jié)點(diǎn)的位置具有其特殊性，不易配制箍筋或其配箍率未達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，且節(jié)點(diǎn)破壞后很難加固修復(fù)。目前國內(nèi)外對于框架節(jié)點(diǎn)的研究大都集中在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪性能和節(jié)點(diǎn)區(qū)的配箍設(shè)計(jì)上。為提高鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能，傳統(tǒng)的方法是在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)加密箍筋、采用更高強(qiáng)度的鋼筋、改善配筋形式，但過多的箍筋使節(jié)點(diǎn)區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，施工困難，無法保證節(jié)點(diǎn)的澆注質(zhì)量，同時(shí)箍筋對混凝土約束效果并不明顯，延性框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)急需解決節(jié)點(diǎn)的延性性能和耗能能力問題。

高韌性水泥基復(fù)合材料(Ultra High Toughness Cementitious Composites，簡稱UHTCC)廣泛應(yīng)用于海工、港工、水工、道路、橋梁、工業(yè)與民用建筑等，該材料在彎拉荷載作用下呈現(xiàn)較好的應(yīng)變硬化特征和飽和微細(xì)裂縫特征，同時(shí)具有很好的抗?jié)B透性能，UHTCC應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位可以有效防止二氧化碳、氧氣、水分及有害物質(zhì)如氯離子等的滲透，從而提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命[2-3]。此外，UHTCC材料的拉應(yīng)變硬化特征有效提高結(jié)構(gòu)承載力，同時(shí)構(gòu)件的截面尺寸、箍筋的配箍率等方面也符合各類設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，UHTCC的應(yīng)用在一定范圍內(nèi)減輕了框架結(jié)構(gòu)的自重，UHTCC材料優(yōu)良的耐久性能有效降低了框架結(jié)構(gòu)后期的維護(hù)成本。鑒于此，框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域采用UHTCC材料替代箍筋可有效減少核心區(qū)箍筋的用量，在增加節(jié)點(diǎn)抗剪承載能力和耗能性能的同時(shí)。其生命周期成本較普通混凝土大為降低。

本文主要通過OpenSEES分析軟件對UHTCC新型框架邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗震性能分析，研究UHTCC新型材料應(yīng)用于框架節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵部位的可行性，為今后類似試驗(yàn)研究和理論分析提供依據(jù)。

1 基于Opensees的有限元模型

1.1混凝土本構(gòu)模型

本文采用基于Kent-Park的單軸混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的Concrete01 Material混凝土本構(gòu)模型[4]，骨架曲線是由Park和Priestley在原來的Kent-Park模型上進(jìn)行修改得到，用來考慮箍筋的約束對核心區(qū)混凝土強(qiáng)度和延性的強(qiáng)化。該模型骨架曲線參數(shù)少，物理意義明確，數(shù)值穩(wěn)定性較其他模型好，而且模型在簡化和精確上達(dá)到了良好的平衡。

1.2鋼筋本構(gòu)模型

鋼筋采用基于考慮等向應(yīng)變強(qiáng)化的Steel02 Material本構(gòu)關(guān)系模型[5]。在本文的分析中，代表材料從彈性階段過渡為塑性階段的三個(gè)參數(shù)分別為18.5、0.925和0.15；其等向強(qiáng)化參數(shù)依次設(shè)為0、1、0、1，應(yīng)變硬化率取0.02。

1.3梁柱節(jié)點(diǎn)模型

OpenSEES中的Beam Column Joint節(jié)點(diǎn)分析單元可用于分析UHTCC新型框架邊節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下的基本性能[6]，該單元將節(jié)點(diǎn)的剪切破壞和錨固分開，分別模擬核心區(qū)剪切破壞、節(jié)點(diǎn)的錨固破壞及梁柱交界面處的剪切破壞。該模型主要通過三個(gè)組成元件來表現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的受力破壞機(jī)制(圖1)。

圖1中的三種組成原件，OpenSEES均采用1個(gè)廣義一維荷載-變形滯回反應(yīng)材料(Pinching4)來模擬。通過骨架曲線的定義，卸載、再加載路徑和損傷規(guī)則來建立該模型。在該模型中，骨架曲線為多線型，16個(gè)參數(shù)被用來指定骨架曲線的8個(gè)特征點(diǎn)；再加載和卸載路徑為三線型，6個(gè)參數(shù)分別用于指定正負(fù)方向上再加載和卸載的起點(diǎn)。

1-外節(jié)點(diǎn)；2-粘結(jié)滑移彈簧；3-交界面剪切彈簧；4-內(nèi)節(jié)點(diǎn)；5-剛性內(nèi)界面；6-剛性外界面圖 1 梁-柱節(jié)點(diǎn)模型

2 UHTCC新型框架抗震節(jié)點(diǎn)基本性能分析

2.1新型框架抗震節(jié)點(diǎn)試件設(shè)計(jì)

試件采用實(shí)際框架結(jié)構(gòu)中的邊節(jié)點(diǎn)組合體單元，試件的配筋按現(xiàn)行規(guī)范[7]進(jìn)行設(shè)計(jì)，混凝土為C30，柱截面尺寸為400 mm×400 mm，梁截面尺寸為200 mm×400 mm，試件參數(shù)變量為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域UHTCC的澆筑范圍，該節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)遵循“強(qiáng)構(gòu)件弱核心”的抗震設(shè)計(jì)理念，試件的尺寸和配筋形式見圖2，UHTCC澆筑范圍見表1。

圖 2 試件的幾何尺寸及配筋圖

試件編號UHTCC使用范圍a/mmb/mm核心區(qū)軸壓比nRC?1---0．25UHTCC?1300100全部0．25UHTCC?2900300全部0．25UHTCC?3全部全部全部0．25注：UHTCC使用范圍外的為普通混凝土；“-”表示不使用UHTCC，為普通混凝土

2.2UHTCC材料及本構(gòu)關(guān)系參數(shù)確定

UHTCC基本組成材料主要是2%的PVA纖維體積摻量、低摻量水泥、大摻量粉煤灰以及優(yōu)質(zhì)細(xì)砂，隨機(jī)分布的短纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料具有耐久性能好、優(yōu)良的韌性和高的能量吸收能力。UHTCC材料在單軸拉伸情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖3，圖3所示的路徑I雙線性模型較準(zhǔn)確地反映了試驗(yàn)測定的結(jié)果，體現(xiàn)了UHTCC材料的應(yīng)變硬化基本特征。多數(shù)情況下，為了簡化計(jì)算，建議采用圖3給出的路徑II來反映其受拉的力學(xué)性能。圖中，σtc，σtu分別是起裂拉強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度；εtc，εtu分別為起裂拉應(yīng)變和極限拉應(yīng)變。UHTCC材料參數(shù)見表2。

圖 3 單軸拉伸作用下UHTCC的應(yīng)力-應(yīng)變圖

fc/MPaεtcσtc/MPaεtuσtu/MPaE/GPa400．026%4．04．2%5．9817．0

UHTCC材料采用Concrete01單元模型，單軸受壓時(shí)的峰值應(yīng)力及應(yīng)變?nèi)≈禐?-40，-0.005)，極限點(diǎn)應(yīng)力及應(yīng)變?nèi)≈禐?-8.64,-0.034)[8]。對于受箍筋約束作用的UHTCC框架梁柱節(jié)點(diǎn)，取強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)K=1.1，相應(yīng)的軸心抗壓強(qiáng)度和壓應(yīng)變分別為Kfc和Kε0。

經(jīng)過分析，數(shù)值模擬中用到的混凝土材料相關(guān)參數(shù)見表3。由現(xiàn)行規(guī)范[7]得，HRB400級鋼筋的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fyk為400 MPa，極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為540 MPa，彈性模量Es為200 GPa。

表3 混凝土材料的相關(guān)參數(shù)

2.3OpenSEES模擬結(jié)果分析

試件的梁端荷載-位移滯回曲線和骨架曲線見圖4和圖5。

圖 4 試件UHTCC-1的滯回曲線

圖 5 各試件的骨架曲線

分析上述模擬結(jié)果可知：

1)從有限元分析結(jié)果可以看出，荷載-位移骨架曲線具有關(guān)于原點(diǎn)較好的對稱性，UHTCC新型框架抗震節(jié)點(diǎn)的極限承載力為30.3 kN，而普通混凝土節(jié)點(diǎn)的極限承載力為26.4 kN，相比較，UHTCC新型框架抗震節(jié)點(diǎn)極限承載力提高了15%。此外，UHTCC新型框架抗震節(jié)點(diǎn)的滯回曲線較為飽滿，強(qiáng)度退化現(xiàn)象不明顯，意味著構(gòu)件的破壞形式更趨向于延性破壞，破壞前整個(gè)結(jié)構(gòu)有較大的變形，吸收和耗散更多的能量。UHTCC材料具有良好的抗剪性能和高韌性，更適合應(yīng)用于延性框架結(jié)構(gòu)中的核心抗震關(guān)鍵部位。

2)從圖5可以清楚地看出梁端UHTCC澆筑范圍對框架節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，隨著UHTCC的使用范圍增大，滯回環(huán)循環(huán)次數(shù)增多，但峰值荷載的變化卻不明顯，說明在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)外澆筑UHTCC對框架節(jié)點(diǎn)抗震性能的提高有限。

3 主要結(jié)論

用有限元軟件OpenSEES對UHTCC新型框架邊節(jié)點(diǎn)抗震性能進(jìn)行了非線性分析，得出了以下結(jié)論。

1)通過OpenSEES中的剪切板元件、鋼筋粘結(jié)-滑移元件和交界面的剪切彈簧元件，以及合適的本構(gòu)模型關(guān)系可以較好的模擬出框架梁柱抗震節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下的受力特征。

2)因UHTCC材料的橋聯(lián)作用，在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)出現(xiàn)裂縫后，承載能力仍可以不斷增強(qiáng)，試件的抗剪性能和變形能力也顯著提高。所以在框架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位使用UHTCC材料可以提高節(jié)點(diǎn)的抗震性能，同時(shí)UHTCC優(yōu)異的抗剪能力可以替代箍筋的作用，解決了節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域箍筋密集，施工困難等問題。

[1] 梁興文, 邢朋濤, 王英俊. 局部采用纖維增強(qiáng)混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的數(shù)值分析[J]. 西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014(2):187-193.

[2] 徐世烺，李賀東. 超高韌性水泥基復(fù)合材料研究進(jìn)展及工程應(yīng)用[J].土木工程學(xué)報(bào)，2008，41(6):45-60.

[3] 蘇駿, 徐世烺. 高軸壓比下UHTCC梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010,38(7):53-56．

[4] Matamoros, A B. Study of drift limits for high-strength concrete columns[D]. Illinois: University of Illinois at Urbana-Champaign, 1999.

[5] Scott B D, Park R, Priestley M J N. Stress-strain behavior of concrete confined by overlapping hoops at low and high strain rates[J]. ACI Journal, 1982, 79(1):13-27.

[6] Lowes L N, Mitra N, Altoontash A. A beam-column joint model for simulating the earthquake response of reinforced concrete frames[M]. Pacific Earthquake Engineering Research Center, College of Engineering, University of California, 2003.

[7] 中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部. 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011-2010)[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2010．

[8] 吳健秋. 基于OpenSees的梁-柱節(jié)點(diǎn)單元的適用性和定參方法研究[D]. 重慶:重慶大學(xué)，2007.

[責(zé)任編校：張巖芳]

Non-linearAnalysisofSeismicBehaviorofUHTCCReinforcedBeam-columnJoints

SU Jun, WU Peng, WANG Siwei

(SchoolofCivilEngin.ArchitectureandEnvironment,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

In order to study the seismic behavior of UHTCC reinforced frame joints under quasistatic condition, numerical simulation is carried out in this paper using finite element software OpenSEES. The influence of pouring range of UHTCC on seismic behavior of beam column joints is also analyzed. The results show that the finite element analysis results can well reflect the seismic performance of UHTCC frame side joint reaction, indicating the material parameters of numerical simulation and the constitutive relation are reasonable and applicable, can provide the basis for the analysis of similar experiments and theory.

high toughness cementitious composites；low cyclic loads; OpenSEES; seismic performance

2016-12-19

蘇 駿(1971-)， 男， 安徽六安人，工學(xué)博士，湖北工業(yè)大學(xué)教授，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程

1003-4684(2017)05-0013-03

TU375.4

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