反复荷载下钢筋混凝土柱数值模拟研究.pdf

2 0 1 6年第 2期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA CONC RE T E AND C E MENT P R0DUC T S 2 01 6 No 2 F e b r u a r y 反复荷载下钢筋混凝土柱数值模拟研究 种 迅 ， 汤婷婷 ， 叶献 国 ( 合肥工业大学土木与水利工程学院 ， 2 3 0 0 0 9 ) 摘要 ： 为研 究反复荷栽 下钢筋混凝 土柱的数值模 拟方 法， 在 已有 的 8根钢筋 混凝 土柱低周反 复加载试验 的基 础 上 ， 利 用 A NS YS通 用有 限元软 件建 立 了基 于实体 单元的有 限元模 型 ， 同时， 利用 Op e n S E E S有 限元 软件建立 了基 于纤维单元的有限元模型。 并将两种不同建模方式的有限元结果进行了对比分析。结果表明： 基于实体单元的限元模 型与基 于纤 维单元的有 限元模型在不 同参数 下的模 拟结果与试验结 果均有较好的吻合度 ：前 者的计算的精 度更 高， 而后者 可以更形 象直观地反映构件 的破坏情 况。 关键词 ： 钢筋混凝土柱 ； 低 周反 复加 载试验 ； 数值模拟分析 ； 实体 单元 ； 纤维单元 Ab s t r a c t ：I n o r d e r t o s t u d y t h e n u me ri c a l s i mu l a t i o n me t h o d o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mn s u n d e r c y c l i c l o a d i n g 。 t h e n u me ri c M s i mu l a t i o n me t h o d u s i n g s o l i d e l e me n t b y t h e fi n i t e e l e me n t p r o g r a m ANS YS wa s p r e s e n t e d fi r s t b a s e d o n t h e e x i s t e d q u a s i - s t a t i c r e v e rse d c y c l i c l o a d i n g t e s t s o f 8 r e i nfo r c e d c o n c r e t e c o l u mn s Be s i d e s ， fi b e r mo d e l s of t h e c o l u mn s w e r e c o n d u c t e d u s i n g t h e p r o gra m Op e n S E ES a n d t h e r e s u l t s we r e c o mp a r e d Wi t h the s o l i d mo d e 1 T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t b o th s o l i d e l e me n t b a s e d mo d e l a n d fi b e r mo d e l c a n p r e d i c t the h y s t e r e s i s r e s p o n s e s we l 1 T h e h y s t e r e s i s r e s p o n s e p r e d i c t i o n s of t h e fi b e r mo d e l a r e a l i t t l e b e t t e r t h a n t h o s e o f t h e fi n i t e e l e me n t mo d e l b a s e d o n t h e s o l i d e l e me n t T h e f o r me r c a n a c h i e v e a h i g h e r p r e c i s i o n r e s u l t a n d the l a t t e r c a n d i r e c tl y r e f l e c t t h e f a i l u r e mo d e o f t h e t e s t s p e c i me n K e y w o r d s ： R e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u m n ； Q u a s i - s t a t i c r e v e r s e d c y c l i c l o a d i n g t e s t ； N u me r i c a l s i mu l a t i o n m e t h o d ； S o l i d e l e me n t ；F i b e r mo d e l ， 中图分类号 ： T U 5 2 8 _7 9 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 6 ) 0 2 4 1 0 5 0前 言 在钢筋混凝土梁 、 柱等杆系构件力学性能的数 值模拟分析中， 常用 的有 实体单元和纤维单元两种 模 型。其中， 纤维单元属于宏观单元 ， 由于具有较高 的计算效率及计算精度 在分析杆系构件的低周反 复荷载作用下受力性能中一直 占有主导地 。采 用精细化建模 的实体单元则属于微观单元 ， 相对 于 纤维单元 可以更准确地反映出构件 的整个破坏过 程及破坏形态 。但由于低周反复荷载下 的强非线性 作用 利用实体单元建模分析很大程度上会加大计 算难度 ， 因此 ， 基于实体单元的钢筋混凝土杆系构 件有 限元模型主要用于单调加载分析 。 目前 ， 也有 一 些 学者尝试利 用实体单元建模来解决钢 筋混凝 土杆系构件低周反复性能的模拟问题5 捌， 但模型与 结果通常存在较多问题 ， 如 ： 计算结果准确性较差 、 适用范围不够广泛 、 单元划分不合理等 。 为较好地研究模拟反复荷 载下 钢筋混凝 土柱 受力性能的方法 本文在 已有的 8根钢筋混凝土框 基 金 项 目 ： 国 家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目 ( 5 0 9 0 8 0 7 1 、 5 1 2 7 8 5 1 9 ) 。 架柱低周反复加载试验 的基础上 ，利用 A N S Y S有 限元软件 。采用基于实体单元的建模分析方法 ， 对 已有试验试件进行 了模拟分析 ，测定在不 同尺寸、 配筋 、 轴压 比情况下钢筋混凝土柱低周反复性能有 限元数值模拟分析结果与试验结 果的吻合程度 ； 同 时利用 O p e n S E E S有限元软件对试件建立基于纤维 单元的有限元模型 ， 并将两次模拟结果进行 比较。 1 试 验 介绍 选取 了本课题组以及文献 1 0 】 中共计 8根混凝 土框架柱 的试验结果 ， 其中 ， 文献 1 0 进行 了 4根钢 筋混凝土框架柱 的低周反复试验 ， 分别为 2根边柱 与 2根中柱。边柱与中柱试件尺寸 、 配筋以及加载 制度均相同， 因此 ， 本文数值模拟试件取一根边柱 B 与一根 中柱 D，其余 6根柱子均选择课题组所进行 的混凝土框架柱低周反复加载试验试件。所有试件 在尺寸配筋或轴压 比上均有一定差异 ， 试验中试件 的边界条件和加载方式均为将底座固定 在柱顶施 加轴力和低周反复荷载。所有试件几何形状与配筋 见图 1 ， 试件相关参数见表 1 。 2 基于实体单元的数值模拟 在 已有试验基础上 ， 利用 A N S Y S有限元软件 ， 一 41 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 6年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 8期 4 0 0 2 00 4 0 0 凸 2 2截面 腰 8 5 0 1 - 1 截面 3 5 0 涸 ( a ) 文献 1 0 1 试验试件 ( b ) 课题组试验试件 图 1 试件几何形状与配筋 ( 单 位 ： m m) 表 1 试件 参数 注 7 ： 为混凝土立方体抗压强度 ， ； 为纵筋屈服强度。 提 出了基于实体单元的有限元模 型建模方法 。 并对 表 1中所有试验 试件 进行 了在 低周反复加载情况 下 的有限元模拟分析 ， 具体如下 。 2 1 模型建立 2 1 1 单元选择 在基于实体单元有限元模型中 ， 柱加载点 以下 的混凝土采用 A N S Y S单元库中三维八节点实体单 元 S o l i d 6 5模拟 ； 钢筋采用三维杆单元 L i n k 8单元模 拟；柱顶部加载区域的混凝土视为刚性加载垫块， 采用三维八节点实体单元 S o l i d 4 5模拟 以避免 由于 集 中加截 产生 的应力集 中现象。 S o l i d 4 5单元节点 自 由度与 S o l i d 6 5单元匹配 ，能够实现在节点间传递 应力 ， 并支持大变形和预应力加载。 混凝土破坏准则选取为 Wi l l i a m Wa n k e r 五参 数破坏准则 1 l 】 。混凝土单轴受压应力应变关系采用 理想塑性下 的 Ho g n e s t a d模型 。并按照多线性等 向 强化 的材料模型( MI S O) 进行输入 ， 其数学表达式如 式 ( 1 ) 和式 ( 2 ) 所示 ： f 2 【 2 ( ) _ ( ) l_ 占 ( 1 ) _ - f ( 2 ) 式 中 和 分 别为 混凝 土压应 力及 与 其相 一 4 2一 2 2截 面 应的混凝土应变 ； 厂 。 和 分别为混凝 土 的抗压 强度及与其相 对应 的混凝 土 应变。 对于破坏 准则的其它参数【 ， 如张 开裂缝的剪切传递系数 、闭合裂缝剪 切传递系数 、 单轴抗拉强度 、单轴抗 压强度 厂 等均需要在材性定义步骤 中 给出。 在本文中， 张开裂缝与闭合裂缝的 剪切传递系数分别取值为 0 4与 0 9 ， 抗 拉强度近似取值为抗压强度 的 0 1 倍 。 为了模拟出试件的破坏阶段 ，所有有限 元模型均考虑混凝土压碎效应 ，但在有 限元模型中， 当积分点 的应力达到破坏 面上 的压碎 应力时 ， 整个单元将会失效 ， 这一 点与实际情况下 箍筋对混凝土产生 的较强约束效应极为不符 。因 此 ， 对 于混凝土压碎应力取值可 以参考文献 6 1 取扩 大的破坏面， 本文取值为 2 3 f 。 钢筋参数采用材性试验所测值 按 照多线性随 动强化 ( MK I N) 的应力一 应变关系进行输入。 2 1 2网格划分与边界条件 ， 本节所建有 限元模型均采用分离式建模 。 先建 立 出钢筋与混凝 土以及加载垫块的几何模 型 并赋 予相应单元和材料属性 。 然后经过网格划分后生成 有限元模型 。为保证计算的收敛性 ， 混凝土 网格划 分较为均匀 ，网格尺寸为边长接近于 7 0 mm的六面 体 网格。模型不考虑钢筋与混凝土之间的黏结滑移 作 用 ，钢 筋 与 混 凝 土 单 元 之 间通 过 约 束 方 程 ( C E I N T F ) 进行相互绑定 。 根据实际试验试件的约束 和加载情况 有 限元模型 中约束底座两侧 以及底 部 节点的三个方向平动 自由度。模型网格划分与边界 条件如图 2 ( a ) 所示 ， 内部钢筋有限元模型如图 2 ( b ) 所示。荷载施加 主要分为两步 ， 首先在顶部加载垫 块上施 加轴力 ，轴力 的施 加通过顶 面上均 布加 载 一 辜 。 I 彻 哩 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 种 迅 ， 汤婷婷 ， 叶献国 反复荷载下钢筋混凝土柱数值模拟研究 该模型有较广泛的适用性。 ( 2 ) 运用本文基 于纤维单元 的有限元建模方法 建立 的有 限元模 型可 以较好 地反 映出钢筋混凝 土 柱在低周反复荷载情况下的荷载一 挠度关系。 ( 3 ) 基 于纤维单元的有 限元模型在模 拟钢筋混 凝土柱低周反 复作用下所得滞 回曲线 的准确度 略 高 于基 于实体单元所得基 于实体单元 的有限元模 型所得结果 ， 但前者进行 了较多 的理论假设 ， 无法 反映出构件 的破坏过程及形态 ， 不适用于精细化的 有限元分析 。 参考 文献 ： 1 解琳琳， 叶献国， 种迅， 等 钢筋混凝 土柱低周反复 试验 数值 分析的参数研究 J 土木工程学报， 2 0 1 2 ( S 1 ) ： 2 7 3 2 7 7 【 2 】 Z h a n g Y ， H a r r i e s K Y u a n W E x p e ri me n t a l a n d n u me r i c al i n v e s t i g a t i o n o f t h e s e i s mi c p e rfo r ma n c e o f h o l l o w r e c t a n g u l a r b ri d g e p i e r s c o n s t r u c t e d wi t I l a n d wi t h o u t s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e J E n g i n e e ri n g S t r u c t u r e s ， 2 0 1 3 ， 4 8 ： 2 5 5 - 2 6 5 【 3 】 李贵乾， 郑罡， 高波 基于 O p e n S e e s的钢筋混凝土桥墩拟静 力试验数值分析 J 世界地震工程， 2 0 1 1 , 2 7 ( 1 ) ： 1 1 0 1 1 4 4 种迅 ， 叶献 国， 徐 勤， 等 工 字形横 截面 叠合板 式剪 力墙低 周 反复荷载下剪切滑移机理与数值模拟分析 J 土木工程学 报， 2 0 1 3 ， 4 6 ( 5 ) ： 1 1 1 1 1 6 【 5 】闫长 旺， 贾 金青， 张菊 钢 骨超高 强混凝 土柱一 钢筋 混凝 土 梁框架 节点滞 回性能 的有 限元分析 J 】 土木工程学报， 2 0 1 0 ( S 1 ) ： 9 2 - 9 7 【 6 】 司炳 君， 孙 治 国， 艾庆华 ， 等 钢筋 混凝 土桥墩滞 回性 能 的 有 限元参数 敏感性 分析及模 型 改进 J 】 工程力学 ， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 1 ) ： 1 7 4 1 8 6 7 任铮钺， 王立久， 孙治国 建筑模网混凝土墙体抗震试验研 究与有限元分析f J 工程力学， 2 0 1 2 ， 2 9 ( 1 2 ) ： 1 4 7 1 5 4 8 H a w i l e h R A ，R a h ma n A ，T a b a t a b a i H N o n l i n e a r f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s a n d mo d e l i n g o f a p r e c a s t h y b ri d b e a m c o l u mn c o n n e c t i o n s u b j e c t e d t o c y c l i c l o a d s叨 A p p l i e d Ma t h e ma t i e a l Mo d e l l i n g ， 2 0 1 0 ， 3 4 ： 2 5 6 2 - 2 5 8 3 9 】C h o n g X ，H u a n g J Q ，Y e X G N u me ri c a l A n a l y s i s o n N o n l i n e a r B e h a v i o r o f t h e S u p e ri m p o s e d Wa l l u n d e r Q u a s i S t a t i c R e v e r s e d C y c l i c L o a d i n g 【 C P r o c I n t e r n a t i o n al C o n f e r e n c e O i l S u s t a i n a b l e De v e l o p me n t o f C ri t i c a l I n f r a s t ru c t u r e ， 2 01 4 【 l O 】 陆新征， 叶列平， 潘鹏， 等 钢筋混凝土框架结构拟静力倒 塌试验研究及数值模拟竞赛 I I ： 关键构件试验 J 建筑结构， 2 0 1 2 ， 4 2 ( 1 1 ) ： 2 3 - 2 6 1 1 Wi l l a m K J ，Wa r n k e E P C o n s t i t u t i v e m o d e l f o r t h e t r i a x i al b e h a v i o r o f c o n c r e t e J P r o c e e d i n g s o f I n t e r n a t i o n al As s o c i a t i o n f o r Br i d g e a n d S t ruc t u r al E n g i n e e rin g 1 9 7 5 ， 1 9 ： 1 7 4 1 8 6 1 2 】A N S Y S I n c A N S Y S u s e r S m a n u a 1 v e rs i o n 1 2 0【 M C a n o n s b u r g ， P e n n s y l v a n i a ANS Y S I n c ， 2 0 0 9 【 1 3 M a z z o n i S ，Mc K e n n a F ，S c o t t M H，e t a 1 O p e n S e e s C o mm a n d L a n g u a g e Ma n u a l 【 R 】 U n i v e rs i t y o f C a l i f o r n i a ， B e r k e l e y ， 2 0 0 6 收稿 日期 ： 2 0 1 5 1 1 2 2 作者简 介 ： 种迅 ( 1 9 7 8 一 ) ， 女 ， 副教授 、 硕 士生 导师 。 通讯地址 ： 安徽省合肥市合肥工业大学 联 系电话 ： 1 3 8 6 5 9 2 2 9 5 7 E mai l ： 5 4 2 2 0 8 7 9 4q q c o m ( 上接第 4 0页) 该部位 ； 通过在拐角处增加 4根直径为 6 m m的竖向 钢筋并形成钢筋 网片 ，可有效提高该处 的抗 拉能 力 ， 见 图 7 ( c ) ， 虽则拐角处也有裂缝 出现 ， 但裂缝发 展较慢 ， 且不易于形成主拉裂缝 ， 可有效避免裂缝 扩展形成主裂缝后而导致 的块体破碎。 4结语 ( 1 ) 通过 自锁预制块装 配成整体桥梁墩 台或者 护坡 ， 施工快速 ， 整体性好 ， 但单块块体失效会导致 结构整体失效 。 因此 ， 块体成 型及设计成 为结构成 功与否的关键 因素。通过对块体成型模具 、 成 型关 键工艺控制 、 试验及 有限元计算分 析的研究 ， 以保 证块体受力性能可靠。 ( 2 ) 在块体受 压及块体 间相互作用后 ， 裂缝发 展始于块体的竖向开孔处 ，在块体相互受拉过程 中， 块体裂缝很容易形成并发展 。因此 ， 可在竖 向开 孔处加配钢筋 避免裂缝出现后导致块体失效 。 参考文献： 1 1 郑勇 装 配式 混凝 土 梁桥 的架 设施 工 J 】 科 技信 息 ， 2 0 1 2 ， ( 3 5 ) ： 8 5 - 8 6 2 】 杨淮海 桥梁墩 台施工控制 技术研究 J 黑龙江交 通科技， 2 0 1 5 ， 2 5 ( 3 ) ： 1 1 7 1 1 8 3 梅炜 桥梁石砌墩台施工技术探讨 J 技术研发, 2 0 1 1 ， 1 8 ( 7 ) ： 1 2 6 1 2 8 f 4 中华 人 民共 和 国住 房和城 乡建设 部 G B 5 0 0 0 3 -2 0 1 1砌 体结 构设 计规范 S 北京： 中国建筑工业 出版社， 2 0 1 1 【 5 】中华人民共和 国住房和城乡建设部 G B 5 0 2 0 3 -2 0 1 1 砌体 结构工程施 工质量验收规范 S 北京： 光 明 日报出版社，2 0 1 1 收稿 日期 ： 2 0 1 5 1 O 一 1 8 作者简介 ： 褚云朋 ( 1 9 7 9 一 ) ， 男 ， 副教授。 通讯地址 ： 四川省绵 阳市西南科技大学土建学院 联系电话 ： 1 3 8 8 1 1 0 6 8 4 5 E ma i l ： 3 7 7 3 0 9 0 8 3q q c o m 4 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m