混凝土组合节点抗震性能分析.pdf

江苏建筑 2 0 1 4年第 6 期 ( 总第 1 6 6期 ) 钢筋增强 E C C 混凝土组合节点抗震性能分析 尹万云 ， 潘金龙 2刘守城 ， 袁方 ( - 中国 十七冶 集 团有 限公 司 。 安徽 马鞍 山 2 4 3 0 0 0 ； z 东南大学混凝土及预应力混凝土教育部重点实验室。 江苏南京 2 1 0 0 9 6 ) 摘 要1 E C C( E n g i 【n e e r e d c e m e n t i t i o u s c o m p 0 s i t e ) 是具有拉伸应变硬化特性和多裂缝开展机制的一种高延性纤维增强水 泥基复合材料 文章基 于 E C C材料在往复荷 栽作 用下的试验结果 ，编制 了E C C材料在往复荷栽作用 下的 简化本构模型程 序 并且基 于纤维模型对钢筋增强 E C C ， 混凝 土组合节点在往复荷栽作 用下受力性能进行 了数 值模拟 。模拟结果与试验结构 吻合 良好 所采用的 E C C材料本构模型能 够较 为准确地模拟组合 节点在往复荷栽作 用下的性能指标 ， 如承栽 力、 残余 变形 和耗能能力等。 f 关 键词1 高延性纤维增强水泥基复合材料； 往复荷栽； 纤维模型； 数值模拟 中图分类号 T U 3 1 3 3 【 文献标识码】 A 【 文章 1 0 0 5 6 2 7 0 ( 2 0 1 4 ) 0 6 0 0 0 9 0 4 Nu me r i c a l S t u d y o n S e i s mi c Be h a v i o r o f S t e e l Re i n f o r c e d ECC Co n c r e t e Co mp o s i t e J o i n t YI N W a n - y u n P AN J i n - l o n g 2 L I U S h o u - c h e n g YU AN F a J 1 ( 1 C h i n a MC C 1 7 G r o u p C o ， L t d ， Ma a n s h a n A n h u i 2 4 3 0 0 0 C h i n a ； 2 K e y L a b o r a t o r y o f C o n c r e t e a n d P res t res s e d C o n c ret e S t r u c t u r e s o f Mi n i s t ry o f E d u c a t i o n ， S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 9 6 C h i n a ) A b s t r a c t ：E n g i n e e r e d c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e ( E C C ) i s a c l a s s o f fi b e r r e i n f o r c e d c e m e n t - b a s e d c o m p o s i t e ma t e ria l t h a t h a s t h e p r o p e r t i e s o f t e n s i l e s t r a i n h a r d e n i n g a n d mu l t i p l e c r a c k i n g me c h a n i s m I n t h i s p a p e r ， a s i mp l i f i e d c o n s t i t u t i v e mo d e l o f EC C ma t e ria l w a s a l s o p r o p o s e d a n d c o d e d b a s e d o n t h e r e s u l t s o f t h e r e v e r s e d c y c l i c u n i a x i a l t e s t T h e s t e e l r e i nfo r c e d E C C c o n c r e t e c o mp o s i t e j o i n t 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 w a s a n a l y z e d b a s e d o i l a fi b e r mo d e l p r o g r a m T h e a g r e e me n t b e t w e e n c a l c u l a t e d a n d me a s u r e d r e s u l t s i n d i c a t e s t h a t t h e p r o p o s e d c o n s t i t u t i v e mo d e l f o r E CC ma t e ria l i s r e a s o n a b l y a c c u r a t e i n s i mu l a t i n g t h e h y s t e r e s i s b e h a v i o r s o f s t e e l r e i nfo r c e d E C C c o n c r e t e c o m p o s i t e j o i n t ，s u c h a s l o a d- c a r r y i n g c a p a c i t y ，r e s i d u al d e f o r ma t i o n ， a n d e n e r g y d i s s i p a t i o n c a p a c i t y ， e t a Ke y wo r d s： E CC ； r e v e r s e d c y c l i c l o a d i n g ； fi b e r mo d e l ； n u me ri c a l s i mu l a t i o n 0引 言 结 构在地震荷载 作用下 的性 能主要取决 于结构 的梁 、 柱及节点等关键部位的变形 能力 。即在保证结构 承载能力 的情 况下 保持较大的塑性变形 能力。框架节点在结 构中起 着传递和分配内力 、 保证结构整体性的作用 ， 但 同时节点又 是框架 中最薄弱 、 最易受 损的部位之一 。以往震 害表 明 ， 节 点 区在水平地震荷载和竖 向压力的作用下 容易产生交叉 斜裂缝 发生剪切破坏 进而影响整个结构的承载力【” 。 高延 性纤维增 强水泥基 复合材料 f E n g i n e e r e d c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t 。 E C C ) 是 经系统设计 ， 在拉伸 和剪切荷 载下呈 现高延 性 的一种纤维增强水泥基复合材料【 11 。 采用基 于微 观力学 的 材料设计 方法 纤 维体积掺量仅 为 2 的 E C C， 极限拉应变 能 稳定地超过 3 极限状态下 的平均 裂缝宽度 在 l O O u m 基金项目： 国家自然科学基金 ( 5 1 2 7 8 1 l 8 ) 。 以下翻 。已有的研 究结 果表明 ， 在低周反复荷载作用下 ， E C C 材料 的使用能够显 著提高柱构件3 1 、 节点构件 及框架结构15 的承载力 、 延性 、 耗 能和损伤控制 能力 。 准确预测 地震荷载作用下节 点的受力性 能 对于评估 结构的震 害程度和安全性具有十分重要的意义。本文基于 清华 大学 开发 的 T HU F I B E R纤维 模 型程序嘲 的基础 上 自 行编制 了 E C C材料 的本 构关系程序 并采用纤维模型对往 复荷 载作用 下钢筋增 强 E C C B g 凝 土组合节 点的滞 回性能 进行 了数值模拟 1 材料本构关系的定义 收稿E t 1 2 0 1 4 0 7 - 2 1 【 作者简介】 尹 万 云 ， 中 国 十 七 冶 集 团 有 限 公 司 ， 研 究 员 级 高 级 工 程 师 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 0 江苏建筑 2 0 1 4年第 6期( 总第 1 6 6期) 1 1 E C C材料的本构模型 ( a ) 受拉 ( b ) 受压 图 1 E C C循环荷载下的应力一 应变 曲线 本文基 于 E C C材 料在往复加载下 的试验结果 对试验 得到的拉 、 压应力一 应变 曲线进 行简化 。 建立 了 E C C材料 的 拉 、 压本构模型 。 图 l为 E C C材料 在拉 压往复荷载作用下 的应 力一 应 变 曲线。 其 中拉伸应力一 应变 曲线采用三折线模型( 图 l ( a ) ) ， 在 单调荷载作用下 E C C材料 的应力一 应 变曲线可以划分为 3 个阶段 ： s 0 s ( ) (嚣 ) o - , ( 1 一E曼 = = - 8 、 0 ( 1 ) 8 m； s8m sm s 式 中 ： 为受 拉初裂 应力 ； 8 to 为受拉 初裂 应变 ； 为 受拉峰值应力 ， 为受拉峰值 应变 ； e m 为受拉极限应变 。 E C C材料 的受 压单调荷载下 的应力一 应变 曲线采用双 折线模型( 图 1 ( b ) ) ， 可 用下 式表 示 ： 0 = 占曲 ( ) 0 O- e e 占 甲 “ ( 2) s 式中 ： 为受压峰值 应力 ； s 为受压峰值应 变 ； 8 为 受压极限应变。 卸载及再加载曲线应能反映材料在反 复受力下 的滞 回 和刚度退化特性 。图 1同样显示 了 E C C材料 的拉 、 压 卸载 和再加 载路径 。E C C材料在单 轴拉 伸荷 载作用下 的卸 载和 再 加载应力一 应变关系可表示为 ： 占 O s 占耵 8t o m a x O ，州 器 】 O 占 占 m ( 3) 式中 ： 和 分别 为受拉 E C C从 骨架曲线开始卸载 时相应卸载点 的应 力和应变 ： 为受拉 E C C卸载至零应 力点时 的残余应变 E C C卸载 至零应力 点时的残余 应变是 E C C所经历 的最小应变 的 倍 E C C材料在 单轴 压缩 荷载 作用 下的卸 载 和再加 载应 力一 应变关系可表示为 ： 0 = 占曲 m in 0 箬器)J O 088 。 ( 4) s 式中 ： 和 m分别 为受压 E C C从骨架 曲线开始卸 载 时相 应卸载点 的应 力和应 变 ； 唧为受 压混凝 土卸载至 零 应力 点时的残余应 变 E C C卸载至零 应力点 时的残余应 变 是 E C C所经历的最小应变的 3 倍 1 2 钢筋与混凝土本构模型 钢筋本构关系常见是理想弹塑性双线性滞 回模 型 这 种模 型便 于程序计算处理 但是无法准确地反 映材料在往 复荷载作用下 的复杂受力特性 本文 中钢筋 的单调加载曲 线采 用 E s m a e i l y & X i a o 模 型 该模 型引入 了钢筋硬化起 点 应变 、 峰值应变 、 极 限应变与屈服应变( 的 比值 、 k 和 3 ) 和峰值应力 与屈服 强度 的 比值 4 ) 等参数 。 钢筋的卸载和 再加载 曲线采 用 L e g e r o n 模 型 嘲 该模 型的卸载路 径为直 线 再加载路 径考虑 B a u s c h i n g e r 效应 能反 映材料在 往复 荷载作用下的滞回和刚度退化特性 与钢 筋的材性试验结 果吻合 良好 混凝土受压本构采用 L e g e r o n P a u l t r e模型9 1 采用 二次抛 物线模 拟混凝 土卸 载和再 加 载路劲 的 主体部 分 并合理考 虑反 复受 力过程 中刚度和强度退化 。 2数值模拟 结果分析 本文采 用上述 方法对本课 题组 完成 的钢筋 增强 E C C 混凝土组合节点 的滞 回性 能进行 的数值模拟 试件 的加 载 及截面布最简图如图 2所示 由于 E C C材料的成本是混凝 土 的 4倍 ， 因此 ， 为 了节省建造成本 本课 题组提 出只在 节 点 区 、 梁端 4 0 0 mm及 柱端 3 5 0 mm采用 E C C材料 其余 区 域采用混凝土 E C C材料参数见表 1 混凝土的抗压强度和 弹性模 量分别为 5 4 2 M P a和 3 4 5 G P a ： 钢筋 的屈服强度 和 弹性模量分别 为 3 5 9 4 MP a 和 1 8 7 GP a 试件的滞回曲线计 算结果与试验结果 的对 比如 图 3所示 可 以看 出 本文采用 的分析模 型对试件在往复荷载下 的承载力 和残 余变形都具 有 良好预测 卸载路劲也基本吻合 能够较 为准确地模拟组 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 4年第 6期( 总第 1 6 6期 ) 倥移 ： I2 2 位 移 i l 3 一 。 1 上 j 一 k I 厂 【立 l l 戍变片 I 竺 -I ! ! 3 O 1 2 O 2 1 - 1 ： ： _ 一_ _ - _ 一 图 2 钢筋增 强 E C C 混凝土组合节点加载及 截面布置示图 合节点 的滞 回特性 说 明本文所采用的材料本构模型 和分 析方 法适用 于钢筋增 强 E C C构件 在往复荷 载作用下 的滞 回特性 的数值模拟 。 钢 筋增强 E C C 混 凝土组合 节点屈 服荷 载与极 限荷载 的试验 与模 拟结果对 比如表 2所示 。 由表可见 数值分 析结 表 1 E C C材性参数 t r ,o = 3 MPa； e = O0 0 0 21；0 = 45 MPa； E C C参数 0 3 ；e = 0 0 4 5； = 3 8 3 MP a ； 8 。 0 0 4； 8 = 00 0 6； l 5 O l o o 金 ， o 鬈o 瑚 1 1 ：轮 O， D l o o 位移( m盘 1 ) 图 3 组合节点滞 回曲线试验与模拟结果对 表 2 屈服 荷载 与极 限荷载试验与模拟对 比 果很好地 预测 了往 复荷载作用下组合 节点 的承 载能力 屈 服荷载和正 向极限荷载的预测误差都小于 5 。 图 4为钢筋增 强 E C C 组合 节点 累积耗能 试验 与模拟 结果对 比。从图 中可 以看 出。 除最后两个荷 载循环外 。 计算 与试验 的累积耗能一 位移 曲线几 乎重合。 当 E C C 混凝土组 合节点进入破坏 阶段 时 梁端的裂缝宽度较大 ， 钢筋与 E C C 之 间的粘结滑移现象 比较 明显 试验所得到 的滞 回曲线捏 拢效应较模拟 曲线 明显 导致试验结果与模拟结果的偏差 稍大 ： 另外 ， 构件 的剪切变形在一定程度上也会导致计算结 果 与试 验结果 的偏差 I = ， ： l- 曼 夭 一 试 。 五 图 4组合节 点累积耗 能试验与模拟结果对 比 3结 论 本 文采用 基于 MS C MA R C的纤维模 型法对 钢筋 增强 E C C 混凝土组 合节点 的滞 回性能进行 了数值模拟 主要考 察 了承载力 、 残余 变形和累积耗 能等指标 ， 结果表 明 ： 对 于 承载力 数值 模拟结果 与试验结果偏差 均在 5 以内 ： 对 于 卸 载刚度 和残余变形 的预测也有较 高精度 ：而对 于累积耗 能， 破 坏前试验结 果与模 拟结果 基本吻合 ， 在破坏 阶段 ， 模 拟结果 要大于试 验结果。 总体来说 。 本文所采用的材料本构 模型及分析方法能够较为准确地反映组合节 点在 往复荷载 作用下的滞 回特性 可 以用于钢筋增强 E C C构件抗震 性能 的数值模拟和受力行为预测。 参考文献 1 A h me d G， A S a i d S h e a r s t r e n g t h e n i n g o f b e a m c o l u mn j o i n t s IJ E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e ， 2 0 0 2 ， 2 4 ) ： 8 8 1 8 8 8 【 2 】L i V C P r o g r e s s a n d a p p h c a fi o n o f e n g i n e e r e d c e me n t i t i o u s c o mp o s i t e s IJ 硅 酸盐学报， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 4 ) ： 卜6 【 3 】 F i s h e r G ， L i V C E ff e c t o f ma t ri x d u c t i l i t y o n d e f o r ma t i o n be h a v i or o f s t e e l r e i n f o r c e d ECC fle xu r a l me mbe r s un de r r e v e n e d c y c l i c l o a d i n g c o n diti o n 】 A CI S t r u c t u r a l J o u ma l ， 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