混凝土框架边节点抗震性能分析

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摘要：运用ABAQUS软件对型钢再生粗骨料混凝土框架边节点进行分析，当粗骨料取代率为100%时，分别研究在不同轴压比和不同核心区体积配箍率下框架边节点的抗震性能。在建立骨架曲线基础上的分析数据及结果表明:轴压比与核心区的体积配筋率对结构抗震性能有很大影响。

关键词：型钢再生粗骨料混凝土；框架边节点；有限元分析；抗震性能

当今社会越来越注重绿色建筑理念，为贯彻可持续发展，许多国内的研究者致力于对再生混凝土的材料性能进行研究，但对于再生混凝土还有许多需要我们去探究的地方。型钢混凝土结构承载能力较好，并且延性比普通混凝土结构高，在耐久性、耐火性方面更胜一筹，所以频繁的被应用于高层，甚至超高层建筑中。在我国乃至世界，混凝土都是用量最大的建筑材料，在建筑行业的快速发展下，充分利用废弃材料，在建筑施工时使用型钢再生混凝土[1]，不仅可以节省资源，而且符合绿色建筑理念。在科技与计算机技术的飞速发展下，对问题的探究不再拘泥于传统的试验，我们可以通过运用有限元软件建立模型进行模拟分析。这样不仅节省材料，还可以节省许多时间。本文主要通过ABAQUS[2]有限元软件分析，研究再生粗骨料取代率为100%的型钢再生混凝土框架边节点，在不同轴压比下、不同核心区体积配箍率下的抗震性能。

1型钢再生混凝土有限元模型

运用ABAQUS软件建立的型钢混凝土框架边节点有限元模型如图1所示。1.1再生混凝土本构关系。借鉴过镇海[3]和肖建庄[4]混凝土应力应变曲线，算出在不同轴压比和不同核心区体积配筋率下的抗拉、抗压强度。（1）再生混凝土的单轴受压应力应变曲线y=ax+（3-2a）x2+（a-2）x3x≤1y=x/［b（x-1）2+x］x＞1式中、，其中εc是再生混凝土峰值应变；fc是再生混凝土抗压强度，N/mm2；a、b的取值与粗骨料取代率r（%）有关，关系为：a=2.2×（0.748r2-1.23r+0.975）；b=0.8×（7.6483r+1.142）。（2）再生混凝土的单轴受拉应力应变曲线y=dx-（d-1）x6x≤1y=x/［αt（x-1）1.7+x］x＞1式中，d是受拉初始弹性模量/峰值割线模量。根据文献中试验数据得知：再生混凝土抗拉强度越大，参数αt越大，可按照经验公式：αt=0.312ft2计算，ft为混凝土抗拉强度，N/mm2。1.2型钢及钢筋本构关系模型。基于研究结构受力机理分析，运用钢筋弹性-强化模型（如图2所示）。应力-应变全曲线方程为：бs=Es×εsεs≤εyEs=fy+E's（εs-εy）εs＞εy式中，Es为oa段的斜率，即为弹性段的弹性模量，MPa；E's为ab段的斜率，即为强化段的弹性模量，MPa；fy为材料的屈服强度，MPa；εy为材料的屈服应变，。1.3相互作用。在试验过程中，应尽量接近现实中的相互作用，而现实中各材料之间相互作用存在着滑移现象。但考虑到试验的效率以及最初试验目的是为方便学者借鉴，试验将材料之间的滑移现象进行忽略，将型钢、钢筋与再生混凝土的关系用嵌入来定义，其节点相互作用关系如图3所示。1.4节点有限元模型边界条件及加载方式。柱顶柱底可在平面内转动，柱顶可有轴向位移（即柱底U1=U2=U3=0，UR1=UR3=0，柱顶U1=U2=0，UR1=UR3=0）。在柱底、顶、梁端设置3个受力点，分别为RP-1、RP-2、RP-3，其中RP-1施加柱的轴力，RP-3以位移控制加载竖向力以实现在节点产生水平荷载。

2滞回性能分析

2.1滞回曲线。滞回曲线是指在反复作用下结构的荷载变形曲线，可以通过曲线观察出构件的抗震性能。在试验模拟分析过程中，根据不同轴压比和不同核心区体积配筋率进行研究。（1）轴压比。当再生粗骨料取代率相同，核心区体积配箍率为0.7％时，选择轴压比为0.35、0.45、0.55，得到在不同轴压比下的滞回曲线如图4所示。根据图4分析可知，轴压比从0.35增加到0.55的过程中，受力变形更快的达到极限，故构件的延性降低，耗能也在降低。（2）核心区体积配箍率。当再生粗骨料取代率相同，轴压比为0.35时，对核心区体积配箍率分别为0.7％与1％进行研究，得到滞回曲线如图5所示。根据图5分析可知，核心区体积配箍率从0.7％增加到1％的过程中，提高了构件的承载能力，箍筋的增加增大了对混凝土的约束，减缓了构件的变形，延性在增加，耗能也在增加。2.2骨架曲线。骨架曲线为滞回曲线的外包络线。（1）轴压比。当再生粗骨料取代率与核心区体积配筋率恒定，依照图4轴压比为0.35、0.45、0.55的滞回曲线，得到骨架曲线如图6所示。由图6可知，轴压比从0.35增加到0.55时，骨架曲线的下降段下降越来越迅速，峰值有小幅度降低，从骨架曲线可以更明显地看出轴向压力越大，水平地震作用产生的变形越大。（2）核心区体积配箍率。控制再生粗骨料取代率不变及轴压比为0.35，核心区体积配箍率为0.7％与1％的滞回曲线及数据，得到骨架曲线如图7所示。由图7可知，随着体积配箍率的增加，箍筋对核心区混凝土的约束作用越来越强，防止核心区变形，说明增加体积配筋率，构件的性能有了很大改善。延性系数μ可以反映出构件的变形能力，也是评价抗震的重要指标，其式为：μ=Δu/Δy式中Δu为试件极限变形，Δy为初始屈服变形。通过上述模拟得到的滞回曲线，试件的极限位移选取的是峰值荷载0.85倍的最大值，由于不能确定屈服点，所以选用R.Park[5]等效位移确定方法。依照图6、图7骨架曲线，可以看到在低周反复地震荷载作用下结构构件力与变形的变化，并结合R.Park法，进行模拟数据，得到结构的变形参数和延性系数，见表1。由表1中数据可以看出，（1）随着型钢再生混凝土框架边节点轴压比的增加，构件的延性逐渐降低，表明轴压比对边节点结构构件的延性影响较大。（2）在核心体积配箍率增加的条件下，可以提高型钢再生混凝土框架边节点结构构件的延性。分析结果表明，可以适当的增加核心体积配筋率，这样可以提高结构构件的延性。2.3耗能能力分析。结构构件的耗能能力根据荷载在滞回曲线中表示为滞回环的面积（如图8、图9所示）。根据美国学者Jirsa提出的功比指数Iw的计算公式进行不同条件下功比指数的计算，计算公式见下式，计算结果见表2。式中：Pi表示第i次循环的荷载，N；Δi表示第i次循环荷载的变形，mm；Py表示结构构件的峰值荷载，N；Δy表示结构构件的峰值变形，mm。由图8、图9及表2可以看出，随着的轴压比的提高，图形面积越来越小，而表2中随着轴压比的增加耗能越来越少。原因是在反复加载下，高轴压比下的边节点结构构件容易失去承载能力。而核心区配箍率升高，面积越来越大，表2中数据也在增大，表明结构添加较多的箍筋，变形能力会有所改善。

（1）轴压比从0.35升高到0.55时，型钢再生混凝土框架边节点的抗震性能稍有降低，在延性、刚度方面明显降低，耗能也在降低。（2）当核心区体积配筋率从0.7%增加到1%时，构件承载和耗能的能力都有所改善，延性也在增加，抗震性能也在逐渐提高。

参考文献：

[1]董昆鹏.型钢再生混凝土框架边节点抗震性能研究[D].吉林:吉林建筑大学,2019.

[2]王金昌,陈叶开.ABAQUS在土木工程中的应用[M].杭州:浙江大学出版社,2006:10-36.

[3]过镇海.钢筋混凝土原理[M].第三版.北京:清华大学出版社,2013:19-29.

[4]肖建庄.再生混凝土单轴受压应力-应变全曲线试验研究[J].同济大学学报:自然科学版.2007(11):1445-1449.

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

作者:郭靳时 赵峥 董昆鹏 单位:吉林建筑大学