高韧性水泥基复合材料柱及普通混凝土柱抗震性能数值模拟计算研究.pdf

安徽建筑 2 0 1 2年第 4期( 总 1 8 5期 ) 韧性水泥基复合材料柱及普通混凝土柱抗震性能 Nu me r i c a l Si mu l a t i o n f o r Se i s mi c Be h a v io r o f Hi g h To u g h n e s s Ce me n t Co l u mn Ba s e d Co mp o s i t e Ma t e r i a l 数值模拟计算研究 a n d Co m mo n Co n c r e t e Co l u mn 尹万云 ， 张烨 ， 何兆芳 ， 李林峰 ， 张晋 ( 1 中国十七冶集团有限公司 ， 安徽马鞍山2 4 3 0 0 0； 2 东南大学 混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室 ， 江苏南京2 1 0 0 9 6 ) 摘要 ： 在已有的两组普通混凝土柱和 E C C柱低周反复加栽试验的 基础上 ，采用开源的地 震工程模拟 系统 Op e n S e e s 进行有 限元数值模 拟， 普通混凝土和 E C C都用C o n c r e t e 0 2 本构模型， 钢筋使用 S t e e l 0 2 本 构模型， 考虑柱底钢筋粘结滑移， 计算结果与试验有较好的吻合。同时 在普通混凝土柱和E C C柱试验计算模型基础上，改变竖向轴力研究 竖向轴力对柱滞回性能的影响， 并做了同等抗压强度下的普通混凝土 柱和E C C柱低周反复加栽计算分析。 关键词 ： 高韧性水泥基复合材料； op e n s e e s ； 低周反复加栽； 纤维模型； 延 性 中图分类号 ： TU 7 5 6 4 1 文献标识码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 7 7 3 5 9 ( 2 0 1 2 ) 0 4 一 O 1 8 1 0 4 1 概述 普通混凝土具有拉压强度比低、 脆性大、 韧性差、 容易开裂 等缺点。这些缺点将影响混凝土结构耐久性和使用寿命。为克 服混凝土这些缺点。“和 L e u n g于 1 9 9 2年基于微观力学与断 裂力学原理提出了乱向短纤维增强水泥基复合材料的纤维桥 接法作为研究的理论基础 ，并得到高韧性水泥基复合材料 ( E n g i n e e r e d c e me n t i t i o u s c o m p o s i t e ， 简称 E C C ) 。这种水泥基复合 材料在仅使用体积率约 2 的纤维体积掺量下便可获得 3 以 上拉应变能力， 大约为普通混凝土的 1 5 0 3 0 0倍。因此它可以 提高结构的抗裂能力和吸收地震能量的能力， 可极大地提高工 程结构的耐久性。 本文将通过有限元分析对普通混凝土和 E C C柱低周反复 加载模拟， 研究 E C C构件的受力与变形性能。计算模拟内容如 下： 基于 O p e n S e e s 有限元软软件对普通混凝土柱、 E C C柱在不 同竖向轴力作用下的低周反复加载模拟， 以及相同抗压强度普 通混凝土柱和 E C C柱的低周反复加载模拟。 2 对 比试验概 况 2 1普通 混凝 土柱试验 本文将要模拟的普通混凝土柱低周反复加载试验是由清 华大学完成的， 相关试验数据公布在中国建筑学会抗震防灾分 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 5 - 1 6 作者简 介 ： 尹 万云( 1 9 6 3 一) ， 男， 安徽 和县人 ， 工学硕士 ， 教授 级 高级工 程师。 清华大学试 验钢 筋参数 裹 1 计算情况 竖向轴力( k N ) 水平峰值荷载( k N ) f 一 l一 图 1 R C柱拟静 力试验构件 会建筑结构抗倒塌专业委员会网站上。 试验构件的尺寸和配筋 如图 1 所示。 该试验混凝土立方体强度丘。 3 O 1 MP a ， 纵向钢 筋采用 6 8钢筋， 箍筋采用 6钢筋 ， 钢筋详细参数见表 1 。 试验竖向轴力为 1 4 0 7 8 k N，水平方向荷载按位移控制加载， 其 水平加载点距离柱底 7 5 0 mm。 _I I -_-_ l = = = 一 检 测 、 试 验 与 测 量 技 术 安 徽 建 筑 I m 2 0 1 2年第 4期( 总 1 8 5期 ) 安徽建筑 虽 检 测 、 试 验 与 测 量 技 术 安 徽 建 筑 0 A A ， m m l D 6 5 0 mn S t e el 厂 。 + A A D 6 5 0 r r 一 一 r t ，1 j m 一 _ - i 上 图 2 F i s h e r 和 L i 试验构 件 图 3 B o n d SP 0 1本构模型 D is ptr n m l 图 4 R C柱试 验与计算对 比 l = I C i 一 l J f l 1 2 8 0 4 e 1 2 D r iIt I 图 5 E CC柱试验与计算对比 2 2 E C C柱试验 该试验是由 G r e g o r F i s h e r 、 H i r o s h i F u k u y a m a和 V i c t o r L i 完成。试验构件 尺寸和配筋如图 2所示， 除柱顶部水平荷载加载处和底座中配有箍筋， 其余 位置均没有配箍筋。 试验所用 E C C的抗压强度为 4 0 M P a ， 对应应变为0 0 0 5 2 ， 极限抗压强度为2 6 M P a ， 对应极限压应变为 0 0 0 8 1 。纵向钢筋采用 8 巾1 3钢 筋和 4 6钢筋， 箍筋采用 6 钢筋 ， 钢筋详细参数见表 2 。试验竖向轴力为 3 3 0 k N， 水平方向荷载按位移控制加载， 位移逐渐加载至 8 4 m m( 柱高的6 ) 。 3 数值模拟计算方法的验证 本 文 采 用 的有 限 元 分 析软 件 是 O p e n S e e s( O p e n S y s t e m f o r E a r t h q u a k e E n g i n e e ri n g S i m u l a t i o n ) 。O p e n S e e s 是由加州大学伯克利分校为主研发的地震 工程模拟系统。它是基于C + +开源的有限元程序 ， 具有丰富的材料和单元模 型， 并且用户可以根据 自己的需要添加新的材料和本构模型 ， 能够较好地模 拟结构地震反应。 3 1单元和材料本构关 系的选取 本文采用基于位移法的非线性梁柱单元 d i s p B e a m C o l u mn来模拟框架柱， 同时在柱底附加一个零长度单元 z e r o L e n g t h S e c t i o n来模拟柱底部纵筋的粘结 滑移。 昆凝 土本 构关 系采用 基 于单轴 K e n t - S c o t t - P a r k模 型 的 C o n c r e t e 0 2 M a t e r i a l 。 对于 E C C材料， O p e n S e e 8 材料库中虽然有 E C C O I M a t e ri a l 本构模型， 但是由于这种本构模型不能考虑约束作用，例如 E C C柱在配有箍筋的情况 下，用 E C C 0 1 Ma t e r i a l 来模拟就不能考虑箍筋的约束作用。为了能反映 E C C 材料的属性，根据 O B r i e n的建议采用 C o n c r e t e 0 2 Ma t e ri a l 本构模型来模拟 E C C材料。C o n c r e t e 0 2 Ma t e r i a l 模型通过修改混凝土受压骨架曲线的峰值应 力、 应变以及软化段斜率来考虑横向箍筋的约束影响。 钢筋本构关系采用基于 G i u fi r 6一 M e n e g o t t o P i n t o钢筋本构关系的S t e e l 0 2 M a t e r i a l ， 其骨架曲线为双折 线， 可反映钢筋的 B a u s c h i n g e r 效应。 在 O p e n S e e s 材料库中有专门考虑钢筋粘结滑移的 B o n d S P O 1 Ma t e ri a l 本 构模型， 通过在柱底建立一个零长度单元来考虑钢筋的粘结滑移。该本构模 型如图 3所示 ， 其 中， s s4 击 ) +o 34 s = ( 3 0 4 0 ) s 式中： d 为钢筋直径； n为描述局部钢筋粘结滑移的系数 ， O p e n S e e s 手册 建议取值 0 4 为钢筋屈服强度 为混凝土圆柱体抗压强度。 3 2模拟计算和试验结果的对比 3 2 1 普通混凝土柱 在模拟计算清华大学钢筋混凝土框架柱拟静力试验时， 混凝土参数取值 参考了中国建筑学会抗震防灾分会建筑结构抗倒塌专业委员会网站公布的 参赛选手 w a n g f e i 的模型。试验得到的滞回曲线和 O p e n S e e s 计算得到的滞回 曲线对比如图4所示。试验得到的水平荷载峰值为 3 8 O k N， 计算得到的水平 荷载峰值为 3 7 4 k N ， 骨架下降段斜率存在稍许偏差 ， 整体吻合较好。 3 2 2E C C柱 E C C柱试验和计算得到的滞回曲线如图5所示， 可以看出计算结果与试 验结果吻合程度较高， 计算水平荷载峰值略比试验的小， 试验得到的水平荷 啪 。 郴 舶 啪 善 一 墨 一 o z 2 0 1 2年第 4期( 总 1 8 5期 ) 安徽建筑 雪 建 筑 经 济 与 管 理 安 徽 建 筑 U 0 0( ) 0 0 o o0 O 0o 0 1 0 0 0 0 O 0 o 0 O 0 0 0 2 5 0 0 0 0 0 0 0 o O 0 ( ) 0 0 075 0 0 oo 0 R I l 0 0 0 0 0 0 00 1 00 0 0 0 00 O 0 00 0 0( ) 0 0 5 00 0 o0 0 O 0 oO 099 3 1 o ( ) 0 000 0 4 2 2模糊综合评判 B = A O R = ( b ， b 2 ， b ) ， O为先取小 、 后取大 的算子进行运算 ，即 B = 0 ， 0 9 9 3 ， 0 4 ， o 】 ， B z = 1 5 ， 0 2 5 ， 0 4 ， o ， B 3 ： 4 0 ， 0 4 ， 0 4 ， 0 1 5 1 。 按照隶属度最大原则， 3个项 目的安全等 级 为 ： 项 目 l 的 安全 状况 为较安 全 ， 项 目 2的 安全状况刚好合格， 项 目3的安全状况在合格 的基础上偏较安全 。 5 结论 本文在建立的安全评价指标体系的基础 上， 运用模糊数学原理对单个建筑项 目和多个 建筑项 目进行了综合评价 ，可以得出如下结 论 ： 由于影响建筑安全的因素有很多 ， 因 此合理的建筑安全指标体系是安全评价的重 要因素， 本文所建立的建筑安全指标体系能真 实的反映建筑安全的信息， 也具备一定的普适 性 ， 但是是否适合作为所有建筑项目的评价指 标体系还有待进一步研究； 模糊综合评价用模糊数学逻辑对建筑安全等级做定量分析，其以专家 打分为基础的数学概念还存在主观的因素， 因此建立合理的安全评分标准和数 据库能够更为客观的反映安全因素的真实水平； 在本文安全指标体系基础上， 对单个拟建建筑项 目的安全评价， 能够真 实 的反 映建 筑项 目的安全水平 ， 并 且从定量 的角度 直观的反映 出来 ， 因此对 单 个建筑安全综合评价而言， 模糊综合评价具备科学性， 合理性 、 高效性以及直观 性 的优点 ； 将模糊综合评价运用到多个项 目的测评中，能够纵向对比不同建筑各 个安全因素对安全水平的影响， 因此有利于对具体安全因素的经验总结， 为杜 绝和减少安全事故的发生提供有效的依据。 参考文献 1 程 杰 建 筑 安 装 工 程 施 工 安 全 安 全 评 价 与 管 理 J 】 现 代 管 理 科 学 ， 2 0 0 2 ( 9 ) 【 2 】 丁传 波， 关柯 ， 等 施工企业安全评 价研究 【J 】 建筑技术 ， 2 0 0 4 ( 3 ) 【 3 】 卢岚， 王令东， 卞立平 ， 等 建筑施工现场安全模糊评价方法研究 J 】 工业1 ： 程， 2 0 0 3 ( 6) 1 4 】 S T h o m a s N g ， K a m P o n g C h e n g ， R Ma r t i n S k i t m o ， A f r a m e w o r k f o r e v a l u a t i n g t h e s a f e t y pe r f o r ma n c e o f c o ns t r u c t io n c o n t r a c t o r s Bu i l d i n g a n d En v i r o n me n t ， 2 0 0 5 f 5 1 Yo u n g s o o J u n g ，S e u n g h e e K a n g ，Y o u n g - S u k K i m，A s s e s s me n t o f s af e t y m a n a g e me n t i n f o r ma t i o n s y s t e mf o r g e n e r a l c o n t mc t o m S a f e t y S c i e n c e , 2 0 0 8 f 6 】 Mo h a me d S ，E m p i r i c al i n v e s t i g a t i o n of c ；ans t n l e t i o n s a f e t y ma n age me n t a c t i v i t i e s and p e r f o r manc e i n A u s t r a l i a S af e t y S c i e n c e ， 1 9 9 9 ， 3 3 ( 1 ) 【 7 】 黄世国 建筑企业安全管理综合评价指标体系设计【 J 】 重庆工学院学报( 社会科学) ， 2 0 0 9 ( 1 ) 【 8 】 姚 小刚 关于建筑生产风险的系统研 究【J J 建筑安全 ， 2 0 0 1 ( 3 ) 【 9 】 朱建军 建筑安全工程【 M】 北京 ： 化学工业出版社 ， 2 0 0 7 【 1 0 杨纶标 ， 高英仪 ， 凌卫新 模糊数学原理 与应用【 M1 广州： 华南工学 院出版社 ， 2 0 1 l l E c c l I I 一 自 嘲 l m 4 - o 4 8 r e i n f o r c e d E C C c o l u mn m e m b e l u n d e r r e v e r s e d c y c l i c l o a d i n g c o n d i t i o n s A】 I n ： D r i f q 1 图 1 1 4 0 0 k N作用下P r ,e e d i n g s ， D F R C CI n t 1 Wo r k s h o p C - T a k a y a m a ， J a p an， O c t - 2 0 0 2 混凝土柱和 E C C柱做了对比分析，得出以下 5 1 几个结论 。 竖 向轴力对普通混凝土柱和 E C C柱 影响都 比较大 ，随着竖 向轴力的不断增大 ， 柱 【 6 】 子 的延性越来越 差 ，所 以 E C C材料应用 的实 际工程 中去 ， 同普通混凝 土一样也要限制轴压 比， 以保证有一定的延性 ， 在地震作用下不发 生脆性破坏 。 M S a i i d i ， Me l i s s a O B r i e n， a nd Ma hmo u d S a dr o s s a d a t Z a de h Cy c l i c r e s p o n s e o f c o n c r e t e b ri d g e e o l u n l u s u s i n g s u p e l a s t i e n i t i n o l and b e n d a b l e c o n c r e t e J AC I S tn l c t u r al J o u r n a l ， 2 0 0 9 ( 1 ) Ca r l o s ACr u z - No g ue z an d Me h d i S a i i d i S i mu l a t e d r e s p o n s e o f b ri d g e s wi t h a d v an c e d m a t e ri a l s u n d e r n e a r f a u l t e a r t h q u a k e s A 1 n ： P r o c e e d i n g ， EME S E G 1 0 P r o c e e d i n g s of t h e 3 r d WS E AS i n t e ma t i o n a l c o n f e r e n c e o n E n g i n e e ri n g me c h ani c s ，s t r u c t u r e s ，e n gin e e r i n g g e o l o g y C C o rf n I s l a n d ， G r e e c e ， J u l y 2 2 - 2 4 ， 2 0 1 0 Ma z z o n i S , Mc K e n n aF , S c o t t MI- L e t a l O i mn s e e s C o m ma n dI a n g u a g e Ma n u a l Z l h t t F J o p e n s e e s E c c比普通混凝土有更好的延性 ， 相 b 。 y 1 2 0 0 7 a l Op e n S e e s Co mmand L a n g u a g e Ma n u a 1 p d f J u l y