再生混凝土框架结构受力性能非线性分析.pdf

第 3 7卷 第 l 2 期 建筑结构 2 0 0 7 年 l 2月 再生混凝土框架结构受力性能非线性分析 张 鹏 周德源 孙跃东 肖 建庄 ( 同济 大学 土木 工程学 院上海 2 0 0 0 9 2 ) 提要】 结合再生混凝土框架结构在低周反复荷载作用下的抗震性能试验， 借助于已有的钢筋混凝土非线性 分析理论和有限元分析程序 A N S Y S ， 对再生混凝土框架结构的受力性能进行了非线性有限元分析。模拟计算 和试验结果的比较表明， 理论计算可以得到与实际试验较为吻合的结果， ? 昆 凝土开裂引起的结构内力重分布 和组成材料的非线性性 质是结构表现非线性性 能的主要 因素 ， 用 已有的钢筋混凝土非 线性有 限元理论和 A N S Y S程序对再生混凝土框架结构进行受力分析是可行的。从 A N S Y S的模拟结果中， 还可以分别获得试验过 程中难以直接得到的混凝土( 特别是混凝土开裂后) 和钢筋的应力分布及其随侧向位移的变化曲线 ， 模拟计算 有助于更加深入地 了解混凝土框架结构内部各组成部分之间的相互作用机理及其与结构整体性能之间的关 系 ， 可以为结构分析提供更为详实的信息。 关键词】 再生混凝土 框架 受力性能 非线性有限元 No n l i n e a r An a l y s i s o n M e c h a n i c a l Be h a v i o r o f Re c y c l e d C o n c r e t e Fr a m e Z h a n g P e n g ，Z h o u De y u a n，S u n Yu e d o n g ， X i a o J i a n z h u a n g( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， T o n g j i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： On t h e b a s i s o f e x p e ri me n t a l s t u d y o n s e i s mi c b e h a v i o rs o f r e c y c l e d c o n c r e t e fr a me s u n d e r l o w r e v e rse d c y c l i c l a t e r a l l o a d i n g ， n o n l i n e a r fi n i t e e l e m e n t a n a l y s i s m e t h o d( F E A)h a s b e e n a p p l i e d t o a n a l y s e s e i s m i c b e h a v i o r s o f r e c y c l e d c o n c r e t e f r a me v i a n o n l i n e a r a n a l y s i s t h e o r y o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e a n d ANS Y S C o mp a ri s o n b e t w e e n t h e r e s u l t s o f c alc u l a t i o n s a n d e x p e rime n t s h a s r e v e a l e d t ha t t h e o r e t i c a l c a l c ul a t i o n s a r e c o n s i s t e n t wi t h t ria l r e s ul t sI t i s c r a c k s a n d n o n l i n e a r b e ha v i o rs o f c o m p o s i t i v e m a t e r i als t h a t l e a d t o n o n l i n e a r b e h a v i o rs o f f r a m e s I n a d d i t i o n ，q u a n t i t i e s o f i n f o r m a t i o n s u c h a s t h e c h a n gi n g d i s t rib u t i o n o f s t r e s s o f r e i n f o r c e me n t a n d c o n c r e t e，t h e c h a n g i n g c u r v e o f s t r e s s d i s p l a c e me n t ，wh i c h c a n n o t b e d e riv ed f r o m t h e t e s t d i r e c t l y e s p e c i a l l y a f t e r t h e c r a c k s o c c u r r e d T h e r e f o r e ， s i mu l a t i o n c a n h e l p t o e x p l o r e t h e r e a c t i n g me c h a n i c al be ha v i o r s o f d i f f e r e n t c o mp o n e n t s i n c o n c r e t e fla me a n d s u pp l y mo r e d e t a i l e d i n f o r ma t i o nCo mp a r i s o n be t we e n t h e r e s u l t s o f c a l c u l a t i o n s a n d e x pe rime n t s h a s v e rifi e d t h e f e a s i b i l i t y and r e l i a bi l i t y o f a p p l y i n g e x i s t i ng n o n l i n e a r fin i t e e l e me n t an aly s i s me t h o d a n d ANS YS f o r t h e a n a l y s i s o f s e i s mi c be h a v i o r o f r e c y c l e d c o n c r e t e f r a me s Ke y wo r d s ： r e c y c l e d c o n c r e t e；f r a me ；me c h a n i c a l b e h a v i o rs；n o n l i n e a r fi n i t e e l e me n t m e t h o d O 引言 目前国 内外有关再生混凝土的材料性 能的研究已 相继展开 ， 但是关 于其结构性能的研究 相对较少 ， 且主 要集 中在对再生混凝土构件的研究上。为了深入了解 再生混凝土框 架结构 的抗 震性 能 ， 在试验研 究 的基 础 上 ， 利用有 限元分析程 序 A N S Y S 对低周反复荷载作 用 下再生混凝 土框架结构的非线性受力性能进行 了数值 模拟 ， 以期深入 了解再生混凝土框架结构受力特征 。 1 试 验 概 况 1 1试件设计 试验 用再生粗细骨料 由上海市江湾机场跑道废弃 混凝土加工而成 ， 级配为( 51 5 m m) ： ( 1 5 3 1 5 m m ) = 4 0 ： 6 0 。天然粗骨料为碎石 ， 连续级 配。混凝土设 计强度等级 为 C 3 0 ， 各 榀框架 混凝 土所 用 的配合 比及 混凝土材性见表 1 ， 其 中试件 F 1D作 为对 比框 架。钢筋 的力学性能见表 2 。 3 6 试件的混凝土配合比 表 1 再生骨料 l ： E 编号 水泥： 砂子 ： 粗骨料： 水 掺量 ( ) ( M P a ) ( G P a ) F O 0 3 9 0 ： 5 5 8： l 3 01 ： l 8 5 2 7 O 3 3 0 F 3 0 3 O 4 7 4： 5 2 3： l 2 2 1： 2 0 o 2 6 1 3 0 6 F 5 O 5 O 4 7 4： 5 l l ： l 1 9 2 ： 2 0 9 2 4 8 2 7 9 Fl o 0 l o 0 5 0 1 ： 4 6 7： l l O 9： 2 3 0 2 1 8 3 3 注 ： 受试验经费等条件 限制 ， 每种配合 比的试件仅制作一个。 钢 筋的 力学性能 表 2 直径 ( n l l1 ) ( M P a ) _厂 u ( M P a ) E ( G P a ) 6 4 3 3 3 5 21 7 21 0 1 4 4 4 8 2 5 9 4 4 2 0 o 试验模型按 1 ： 2的缩尺 比例 和“ 强柱弱梁 ， 强节点 弱构件” 的原则进行设计 ， ， 各榀框架 的尺寸 和配筋 情况均相 同， 如图 1所示 。 1 2量测及加载 维普资讯 http:/ ， 6 6 o 巾 6 2 O 6 6 0 lI l I 三 1 1 1 I I I I I l l I 三 害 三 g 2 三 “ 6 巧 3 I L + ，_ L | g 呻 g 1 寸 【 3 0 0 0 3 i I 3 4 1 0 4由1 6 r r = l一 川 ， 2 1 4 g 、 l _ U U 。 t 25 0 I 卜 1 “ 3 3 一 一 I ( 1 ) 6 历l 1 S n 2 ， l 2 f I 5 一 4 0 0 l 1 ： I 2 0 图 1 框架 尺 寸 和 配 筋 试验测量记录的主要 内容有 ： 水平反复荷载 ， 框架 梁 、 柱端7 昆凝 土的表 面应 变 ， 框 架梁 、 柱端 纵 筋应 变 ， 梁 、 柱端和节点内的箍筋应变 ， 框架上部 梁轴线处 的水 平位移 ， 框架基础 的水平 位移。钢筋 和混 凝土 应变测 点及位 移计 的位置分别见图 2， 3 。 试 验在 同济大学土木工程 防灾 国家重点实验 室完 成 ， 试验装置见 图 3 。竖 向荷载 由千斤 顶施加 ， 一 次加 至额定数值 ， 在试 验过程 中保持不 变。柱顶 的竖 向荷 载 1 5 0 k N直接施加 ， 梁跨 中荷载 1 2 k N通过一根分 力梁 施加到两个三等分点上。 水平反复荷载 由 申克机 施加 。框 架 的水 平拉 、 压 反复荷载采用荷载一 位移混合控制 的加 载制度 ， 分 为荷 载控制和位移控制两 个阶段 ： 在荷载控制 阶段 ， 荷载分 4 级施 加 ， 每 次 递 增 1 0 k N， 每 级 荷 载 循 环 1次 ， 达 到 4 0 k N时记下框架 的侧移 ； 在位移控 制阶段 ， 以 的 倍数进行加载 ， 每级位移循环 3次 ， 直至结构 承载力下 降到最大荷载的 8 5 。 2 A N S Y S中有限元模 型的建立 采用钢筋与混凝 土 的分 离式模 型 ， 忽略 钢筋 与混 凝土的粘结滑 移影响 ， 在 这两种 材料 的边界上单 元节 点位移协调 ， 该模 型 的优 点是 可分 别获 得钢筋 和混凝 土的应力和变形 。 2 1材料模 型 用 L i n k 8 单 元模拟纵 向钢筋 ， 单元实常数主要用来 设置钢筋的截 面面积 和初始应 力 ， 分析 中的纵 筋截面 面积为 1 5 3 9 4 m m 2 ， 初 始应 力为 零。采 用 v o n M i s e s屈 服准则 和两折线等向强化 ( B i l i n e a r K i n e m a t i c H a r d e n i n g ) 图 2 钢筋应变测点 布置 图 3 试 验 装 置 不 意 弹 塑性模型来考虑钢筋 的弹塑性性质 和 B a u s c h i n g e r 效 应 。钢筋本构关 系采用理想弹塑性材料模 型。 用 S o l i d 6 5单元 模拟 混凝土材料 的弹性 、 塑性 和破 坏等各种力学 行为 。在模拟过 程 中， 采 用 v o n M i s e s屈 服 准 则 和 多 线 性 等 向 强 化 (Mu l t i l i n e a r I s o t r o p i c H a r d e n i n g ) 模型考 虑混 凝土 的塑性 发展 。混 凝土 的本 构模 型采用文 7 提 出的本构方程 ： 似 +( 32 a ) x +( 02 ) X ( 0 1 ) 式 中 ： = e 。 ， Y =O f c ， e o 为峰值应 变 ， _厂 c 为混凝土 的 棱 柱体抗压强度 。 文 4 将试 验所得 的数据 ， 经 过数据 统计 回归 ， 得 到参数 o ，b与再生粗骨料取代率 r的关 系 ： 0 =2 2 ( 0 7 4 8 r 一 1 2 3 1 r+0 9 7 5 ) ( 2 a ) b= 0 8 ( 7 6 4 8 3 r+ 1 1 4 2 ) ( 2 b ) 不同再生骨料 取代 率 的混 凝 土的峰值 应 变见 表 3 ， 四 种再生混凝土材料 的应力一 应变关系如图 4所示 。 混凝土 的破坏 准 则采 用 Wi l l a m Wa mk e五参 数破 坏准则 ， 其 表达式如下 ： 不 同再 生骨料掺 量的 混凝土峰 值应变 表 3 r ( ) 1 0 l 3 0 l 5 0 l 1 0 0 面 囊 _ _ 十 寸 而 f 丽 百 3 7 ( 3 ) 0 6 + + 0 6 + + O O 0 6 ： l 1 C 一 维普资讯 http:/ 式 中有六个参数 ， 由于拉 压子午线 在静水压 力轴上 相 交 于同一点 ， 独立的参 数实 际上只有 5个 ， 分别是 ： 混 凝土 的单轴极 限抗拉强度 ， 单轴极限抗压 强度 ， 双 轴极 限抗压强度 ， 静 水压力状 态下的双轴抗压强度 ，静水压力下的单轴抗 压强度 。五个参数 中 ， 和 可以 由试验确定 ， b ， 和 可根据 Wi l l a m Wa mk e 破坏准则的参数设置取值 如下 ： f 1 h： 1 c ： 1 4 5 L ， ： 1 7 2 s f c 0 4 且上式应该满足 1 一 h=( l + 2 + 3 ) 3 ( 5 ) J 2 2模型网格划分 在建立有限元模型时 ， 梁端 、 柱顶和跨 中三等分位 置分别设置 了刚性 垫块 ， 用 以分布该处施 加 的集 中荷 载 ， 避免该 区混 凝土 因应 力集 中过 早发生破 坏。同时 为 了避免钢筋与混凝土的交界 面上 由于混凝土单元划 分过小而使混凝 土过早发 生破坏 ， 混 凝土实体单 元在 ，Y， ：三方 向上 的尺 寸分别为 5 0 ， 5 0， 3 0 ra m。模 型上 施加了柱底支座的位移约束 、 框架 自重 、 柱 端和跨中竖 向荷载及梁端水平荷载。 3 计算结果与试验结果的对比分析 在 A N S Y S 程序 中 ， 通过 求 解上 述有 限元 模 型， 可 以模拟混凝 土框架 结 构在单 调加 载情 况 下 的受 力 性 能 ， 分别得到钢 筋和混 凝土在受 力过程 中的应力 和变 形 ， 同时还可以得 到梁端 的荷载一 位移 曲线 。各榀框 架 的荷载一 位移骨架 曲线计 算结果 与试验 结果 的 比较 见 图 5 ， 加载至最大荷载时 ， 框架 混凝土应力分布见图 3 8 6 ， 其他框架结构 得到 的应 力分布情况 与此 相似 ， 不再 给出) ， 钢筋 正应 力分布 见 图 7 ， 梁端 混凝 土正 应力分 布 曲线见图 8 ， 梁柱端 L 1位置 钢筋应力随梁端 位移的 变化 曲线见图 9 。 在钢筋混凝 土分离 式有限 元模型 中 ， 单元 S o l i d 6 5 具备开裂功能 ， 可 以准确预计结构 的开裂荷载 ， 通过查 看钢筋单元 的应力 可 以准确 地确 定 出结 构 的屈 服荷 载 ， 由于在加 载过程 中梁端混凝土破坏严重 ， 部分单元 出现刚体位移 ， 模拟过程持续到最大荷载而结束 ， 表 中 计算极限荷载取为最大荷载的 8 5 。表 4给出了分离 式模型各榀框架计算特征荷载与试验结果的数据 。 计算特征荷载与试验特征荷载对比( k N ) 表 4 框架编号 F 0 F 3 O F 5 O F l 0 0 开裂荷载 试验 2 0 7 2 0 5 3 2 0 6 l 2 0 6 8 计算 2 0 7 2 0 5 l 2 0 2 6 2 0 5 9 JD 计算 试验 1 0 0 1 0 0 O 9 8 1 0 0 屈服荷载 试验 8 9 3 8 6 5 2 7 6 2 9 7 8 2 l 计算 9 2 6 8 3 1 4 7 9 8 8 7 6 2 5 JD 计算 试验 1 0 4 O 9 6 1 0 5 0 9 7 最大荷载 试验 1 0 2 5 9 3 4 4 8 8 9 8 8 7 9 0 计算 9 8 5 9 0 8 7 8 4 9 7 8 4 7 5 J D 计算 试验 0 9 6 0 9 7 O 9 5 O 9 6 极限荷载 试验 8 7 1 3 7 9 3 7 7 5 7 5 7 4 9 8 计算 8 3 7 3 7 7 2 4 7 2 2 2 6 9 4 9 JD 计算 试验 O 9 6 0 9 7 O 9 5 O 9 6 注 ： 屈服荷载指梁端钢筋首次屈服时的框架承受的水平荷载 ； 反 向为梁端推力 。 4 结 论 ( 1 ) 通过试验和计算 之间的比较发现 ， 不考 虑粘结 0 2 9 9 8 5 8哪 ! 9 1 9 49 8 1 8 7 9 2 8 o 5 9君 7 8 图 4 不同骨料掺量混凝土的应力 应变关系 图 6 混凝土应力分布( M P a ) 0 1 0 2 0 3 0 40 5 0 6 0 7 0 图 5 荷载 位移骨架曲线 - 1 97 ” 6 8 - 3 6 2 6 61 2 5 _，5 销 图 7 钢筋应力 分布( M P a ) 5 o 0 4 5 0 爱 R 2 5 0 翅 2 0 0 蟠 1 5 0 疑 1 0 0 5 O O 图 8 梁端截面混凝土 正应力变化曲线 图9 L 1 处钢筋应力一 梁端 位移曲线 啪 啪 鲫 ， v 耀 维普资讯 http:/ 滑移影响的计算模 型在结构整体性能方面( 骨架 曲线 ) 与试验结果接近。 ( 2 )钢筋混凝土分离式模 型可 以得 到钢筋和混凝 土各部分在不同加 载阶段 的应力和应变分布状 态。计 算结果表明 ， 最大荷 载时 ， 梁 、 柱 端混凝 土的压 应变 可 达0 0 0 8 6 ， 超过其极 限压应变0 0 0 3 5 ， 梁 、 柱端混凝 土 将发生 严 重 的压 溃破 坏 ； 而 梁 柱 端钢 筋 应 力 均 达 到 4 4 8 N P a ， 说明梁柱端纵筋 已经达到屈服 ， 这与试验结果 相 一致 。 ( 3 )梁端混凝 土正应 力 分布 曲线表 明 ， 梁 端截 面 上开裂混凝土失去抗 拉能 力 ， 拉 区混 凝土正 应力 基本 为零 。由于截面对称 配筋 ， 计算 模 型混 凝土保 护层 厚 度为 5 0 ra m， 受压区高度一般 都在 l O O m m左 右 ， 验证 了 一 般对称配筋截面设计时 受压 区高度取保护层厚度 两 倍 的假定 。 ( 4 )框架中钢筋 的应力分布 图表 明 ， 梁 、 柱 端受拉 区钢筋在最 大荷载时 都 已达 到屈服强 度 ( 4 4 8 N P a ) ， 而 受压区钢筋应力则相对较小( 1 9 02 7 0 NP a ) ， 这也 与试 验结果 ( 2 0 0 2 5 0 MP a ) 相 一致 。 ( 5 ) 从表 4中可 以看出 ， 分离式模 型能够较为准确 地模拟结构的各个 特征荷 载 ， 大部 分特征荷 载 的计 算 值与试验值的相对误差 都在 5 以内。各特征荷 载的 模拟值普遍 比试验 结果小 ， 这一方 面与材 料强度 的测 试值与结构中材料 强度 的实际值 的差距有 关 ， 另一 方 面分离式模型 中没有 考虑箍 筋 的影 响 ， 也使 模拟值 较 试验值低 。 ( 6 )有限元计算模 型中采 用的混凝土 和钢筋材料 的非线性本构 关 系模 型 、 破坏 准则及 相关材料参 数的 取值较为准确地 反映了再生混凝土和钢筋的非线性力 学性能 。 ( 7 ) 从以上各榀框架 的荷 载一 位移骨架 曲线的对 比 中可看 出， 框架的 承载能力 和刚度 随再 生骨料 掺量 比 例 的增大呈现降低的趋 势 ， 框 架 F I O 0的承 载力较框架 F o的降低了 1 3 9 ， 初始 刚度 降低 了 1 3 3 ， 这种变化 趋势在再生混凝土结构的设计和应用 中应予 以重视 。 计算结果与试验结 果较 为吻合 ， 因此 可 以作 为结 构设计 的依据 。在 有效 的质量控制 ( 主要指再 生骨料 的加工 、 净化过程) 条件 下 ， 试验和模拟结果表明 ， 再生 混凝土应用于结构是可行的。 参 考 文 献 1 混凝土结 构 没计 规范 ( G B J S 0 0 1 0 -2 0 0 2 ) S 北 京：中国建筑 工业出版社 ， 2 0 0 2 2建 筑抗震试验方法规程( J G J 1 0 1 -9 6 ) S 北京 ： 中国建筑工业 出 版社 ， 2 0 0 2 3姚振纲 ， 刘祖华建筑结构试验 M 上海：同济大学 出版社 ， 2 o o 2 4李佳彬 再 生混凝土基本力学性能研究 D 同济大学 ， 2 0 0 4 5A N S Y SI n e A N S Y S T h e o r y R e f e r e n c e M 北京 ：A N S Y S中 国， 2 0 r )2 6朱伯龙 结构抗震试验 M 北京 ： 地震出版社，1 9 8 9 7过镇海 钢筋混凝土原理 M 北 京 ： 清华大学 出版社 ( 上接 第 5页) 4 总结与体会 经 天津市抗震设 防审查 专家委 员会评 审 ， 肯定 了 工程所 采取 的结构体 系 、 抗震设 计参数 、 抗 震等 级 、 分 析计算 以及相关设 计措施 ， 同时要 求对框 支层短 柱计 算剪跨 比， 控制剪跨 比不小于 1 5 ； 公 寓层 以上结 构刚 度偏高 ， 应采 取措施 降低。由 于工程 转换 层上 下等效 刚度 比较小 ， 剪力墙 分担的剪力较 大 ， 经计算 工程框支 层短柱剪跨 比均大于 2 0 。通过比较分析计算 ， 对公寓 层剪力墙结构采取降低连梁刚度的办法 可以有效地减 小结构 刚度并使 之与规 范限值接 近 ， 同时也消 除 了部 分连梁超筋现象 。最后根据超限审查意 见进 行 了调整 并做出 了最终设计 。 对于平面和竖 向不规则 的超 限高层 结构 的设计 ， 除应遵守现有技术标准外 ， 采用文 6 ， 7 所建议 的方 法和措施一般都 能达 到不降低 结构 的抗震安 全标准 。 对高位转换结 构 ， 在框 支柱和 转换梁 中 同时 采用型钢 混凝土是一项 理想措施 ， 一方 面可 以降 低转换 梁 的高 度 、 减小地震力 、 有 效地提 高框 支层 的延性 ， 另 一方 面 可以避免转换层 因型钢混凝土构件 与普通混凝 土构件 之间因节点难 以处理 的问题 ， 真 正做到抗 震设计原则 要求 ： 强节点 、 强锚固 。 参 考 文 献 1 高层建筑混凝 土结构技术规程( J G J 3 -2 0 0 2 ) S 北京 ： 中国建筑 工业出版社 ， 2 0 0 2 2 傅传 国， 梁书亭 等 钢骨 混凝土梁式转 换层结构抗 震性能试验 研究 J 建筑结构 ， 2 0 0 0 ( 4 ) 3 型钢混凝土组合结构技术规程( J G J 1 3 8 -2 0 0 1 ) S 北 京： 中国建 筑 工 业 出 版社 ， 2 0 0 2 4 天津市科维 防灾研究所 万德 花园工程场地 地震反应分析报告 【 R J ， 2 0 0 6 5 建筑抗震设计规范( GB 5 0 0 1 1 2 o o 1 ) S 北京 ： 中国建筑 工业出 版社 ， 2 0 0 1 6 吕西林 ， 李学 平 超 限高层 建筑 工 程抗 震设 计 中的若 干 问题 J 建筑结构学报 ， 2 0 0 2 ( 2 ) 7 徐培福 ， 王亚勇 ， 戴 国莹关于超限高层建 筑抗震 设防审查的若 干讨论 J 土木工程学报 ， 2 0 0 4 ( 1 ) 8 赵作 周， 钱稼茹等 深圳远洋 中心大底盘双塔 楼带转换 层结构 抗 震分析 J 建筑结构 ， 2 0 0 5 ( 9 ) 9 汪大绥 ，贺军利等带有剪力 墙( 简体) 结构静力弹 塑性 分析方 法与应用 J 建筑结构 ， 2 0 0 6 ( 7 ) 3 9 维普资讯 http:/