钢骨超高强混凝土短柱抗震性能数值模拟.pdf

低温建筑技术 2 0 1 2 年第 6 期( 总第 1 6 8 期) 钢骨超高强混凝土短柱抗震性能数值模拟 郭宇 【 天津铁道职业技术学院 。 天津3 0 0 2 4 0) 【 摘要】 采用大型有限元通用软件 A N S Y S ， 对 9 根钢骨超高强混凝土短柱建立了有限元模型， 进行了在低 周反复荷载作用下的试验全过程非线性数值模拟。得出了不同配箍率 ， 轴压比系数下结构的破坏特征 ， 应力应变 结果， 裂缝情况及滞回曲线 ， 并与试验值做对比， 吻合较好。 【 关键词】 钢骨超高强混凝土； 抗震性能； 数值模拟 【 中图分类号】 T U 3 7 5 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 0 9 4 0 3 NUM El UCAL S ULATI oN ON S TE EL REI NF oRCED ULT RA HI GH- S TRENGT H CoNCRETE S HORT CoLUM NS I N S EI S MI C PE RFoRMANCE GU0 Yu ( T i a n j i n R a i l w a y T e c h n i c a l a n d V o c a t i o n a l C o l l e g e ， T i a n j i n 3 0 0 2 4 0 ，C h i n a ) Abs t r a c t ： Th i s p a p e r us e d t h e l a r g e s c a l e g e n e r a l p u r p o s e fin i t e e l e me nt s o f t wa r e ANSYS，9 p a i r s o f s t e e l u l t r a hi g h- s t r e n g t h c o n c r e t e s h o r t c o l u mns fi ni t e e l e me n t mo d e l wa s e s t a b l i s h e d，a n d the n o n l i n e a r n u me r i c a l s i mu l a t i o n o f t h e S RC c o l u mn u n d e r l o w c y c l i c l o a d i n g t e s t s o f wa s mo d e l e d T h e d a ma g e c h a r a c t e r i s t i c s ，t h e s t r e s s s tra i n，t h e c r a c k r e s u l t s ，t h e h y s t e r e s i s c u r v e o f t h e S RC c o l u mn o n c o n d i t i o n o f d i ff e r e n t s t i r r u p r e i n f o r c e me n t a n d d i ff e r e n t a x i a l l o a d r a t i o w e r e o b t a i n e d C o mp a r i s o n wi t h t h e e x p e r i me n t a l v a l ue s，fin d c o r r e s p o n d e d we l 1 Ke y wor ds： s t e e l r e i nfo r c e d u l tra hi g h s t r e n g th c o n c r e t e；s e i s mi c p e rfo r ma n c e；n u me r i c a l s i mu l a t i o n 随着现代建筑的发展， 建筑物的高度、 跨度不断增加， 钢骨混凝土结构越来越受到人们的青睐， 尤其是多地震国 家。目前钢骨超高强混凝土的试验研究 已在我 国广泛开 展， 而用非线性有限元辅助实验 ， 则可进行少量基本实验， 确定参数， 校核算法模型， 进行内插或外推 ， 得到参数变化 的影响， 对减少实验数量， 提高效率很有意义。本文使用大 型有限元通用软件 A N S Y S对 9根柱试件进行了非线性有限 元模拟， 对不同配箍率 ， 轴压比系数下， 超高强 S R C短柱的 抗震性能做了详细的分析研究。 1 试验简介 表 1 钢 筋及钢 骨力学指标 本批试件超高强混凝土采用 C l O 0 ； 钢骨采用热轧工字 钢 I 2 ； 纵筋采用 H R B 3 3 5钢筋； 箍筋采用 H R t M0 0钢筋； 钢筋 及钢骨实测性能 见表 1 。每个试 件 的实测抗 压强度见表 2 。 试验构件试件的系部及加载简图见图 1 。 表 2 试件参数 2有限元模拟过程 本文采用 A N S Y S有限元软件对全部构件建立有限元模 型， 并通过加载计算， 模拟全过程构件的受力特征。 根据 A N S Y S软件中自带单元的特性分析 ， 选取 S o l i d 6 5 单元模拟混凝土， 选取 L i n k 8单元模拟钢筋， 选取 S o l i d 4 5单 元模拟型钢和试验加载垫。 郭 字： 钢骨超高强混凝土短柱抗震性能数值模拟 图1 试件的系部及加载简图 在模拟过程中， 混凝土材料各向异性， 并受内部微裂缝 的开展影响， 受力特性复杂。但根据已有的研究资料， 可以 假定混凝土的应力应变本构关系分为弹性变形阶段和非线 性强化阶段组成。在使用 A N S Y S软件模拟中， 对混凝土模 型的设置至关重要 ， 本文选用 了 MI S O多线性等 向强化模 型。对于型钢和钢筋两种材料为较理想的弹塑性模型， 本文 Z _， ram s r c 2 0 -2 2 -9 5 钢筋采用了 B K I N双线性随动强化模型； 型钢选用了 MK I N 多折线性随动强化模型。 关于模型的建立， 本文采用分离式模型， 忽略了钢筋 、 型钢与混凝土之间的粘结滑移。建模时使钢筋与混凝土共 用节点， 型钢与混凝土共用节点。计算是关闭混凝土 S o 1 i d 6 5单元的压碎选项， 否则同时考虑开裂和压碎， 计算很难 收敛。数值模拟过程的加载制度采用位移控制循环。型钢 与钢筋模型图见图 2 。 Z ， A ram s r e 2 0 - 1 2 - 9 5 8 4 0 4 8 8 4 O 4 8 5 , f | s r e 2 0 1 6- 5 0 Z 定 J A ram s r e 2 0 -1 2 - 5 0 8 4 0 4 8 8 4 0 4 8 图3 试件滞回曲线图 3 计算结果 3 1 有限元计算结果 研究构件的抗震性能采用 了低周反复加载方式， 模拟 时通过反复加载计算， 根据计算结果提取出加载力与位移 相应值 ， 绘制出构件的滞回曲线 ， 如图 3所示。 3 2 试验结果对比 将构件模拟值与试验值作对比， 见表 3 。与试验结果作 图2 型钢与钢筋模型图 至 ， mi n s r c 2 0 - 3 0 - 6 0 J Z 寒 r m a r e 2 0 - 2 2 - 5 1 一 8 4 0 4 8 至 ， 厂 ， mm s r e 2 0 - 2 2 40 对比， 除去不稳定性因素的影响， 模拟值大于试验值 ， 这与 实际情况一致 ， 混凝土是弹塑性材料 ， 在进行数值模拟时， 虽考虑了混凝土的弹塑性本构关系， 但数值模拟仍是理想 化的计算， 同时也与模拟过程中网格划分的疏密程度有关。 如图3和表3中所示， 有限元数值模拟得到的结果与试 验所得结果基本吻合。尤其在一二级荷载情况下， 模拟值 与试验值较接近 ， 相差基本小于 1 0 ； 在三级荷载情况下 ， 0 4 2 2 4 _ - o 4 2 2 4 O 4 2 4 蝴 瑚 0 瑚 枷 0 2 4 0 4 2 2 4 o 4 2 2 4 低温建筑技术 2 0 1 2年第 6期 ( 总第 1 6 8期 ) 模拟值与试验值相差有所增大， 但在 1 0 一2 0 之间。试 验时可以得到混凝土骨架 曲线的下降段 ， 但采用 A N S Y S模 拟中， 为了计算 能够较好的收敛 ， 将混凝土压碎选项关闭 了， 导致与试验值比较时， 试验能够得到下降段， 而有限元 数值模拟无法得到， 模拟值与试验值的偏差有所增大。 表 3 数值模拟结果与试验结果对比 注： 比较值 =( 模拟值 一 试验值) 试验值 3 3型钢和钢筋应力应变分析 在计算中， 钢筋和型钢单元采用不同准则来判断是否 屈服 ， 型钢单元采用等效 Mi s e s 应力准则判断， 钢筋单元用 轴向拉应力是否达到规定值判断( 以S R C 2 0 - 3 0 - 6 0为例) 。 ( 1 ) 钢骨受力情况。第一循环加载结束后， 钢骨靠近 加载部位上下翼缘受力较大， 在2 6 0左右 ， 如图4 ( a ) 、 ( b ) 所 示。随着荷载一级 、 二级 、 三级不断增加、 反复 ， 上下翼缘受 拉区范围略有增大， 主要变化在受拉区从翼缘扩展到腹板， 如图4 ( c ) 、 ( d ) 所示 ， 部分单元已达到屈服应力 ， 退出工作。 从图中可确定出翼缘和腹板最大应力所在区域。 ( b ) ( d ) 图 4 型钢应力状态 ( 2 ) 钢筋受力情况。第一循环加载结束后 ， 如图 4 ( a ) 所示， 纵筋受力较大位置基本与型钢相同， 最大应力值 达到3 1 0 MP a ， 箍筋的受力较大处也位于环绕纵筋和型钢应 力最大值附近， 但应力值相对较小 ， 在 1 0 0 MP a 附近， 说明此 时箍筋受力不大。随着荷载级的增加和反复， 纵筋和箍筋 的受力都不断增大， 直到屈服， 分布位置如图4 ( a ) 所示。 4结语 ( b ) 图5 钢筋应力状态 ( 1 ) 应用 A N S Y S对钢骨超高强混凝土的有限元数值 模拟分析， 在合理的本构关系和边界条件下， 模拟的结果与 试验 比较吻合， 能够更好的了解构件的受力性能、 破坏过 程， 在试验估测和插值外推方面有一定的价值和可信度。 ( 2 ) 数值模拟作为试验的重要辅助手段 ， 通过合理的 方法模拟， 可以得出钢筋、 型钢等内部构件的应力应变变化 过程及应力应变分布图， 确定其受力较大位置， 为钢骨超高 强混凝土结构的设计提供参考依据。 参考文献 1 过镇海 钢筋混凝土原理 M 北京 ： 清华大学 出版社 ， 1 9 9 9 2 江见鲸， 陆新征， 叶列平 混凝土结构有限元分析 M 北京： 清华大学 出版社 ， 2 0 0 5 3 江见鲸， 何放龙， 何益斌， 陆新征 有限元法及其应用 M j E 京 ： 机械工业出版社 ， 2 0 0 6 4 姜睿 超高强混凝土组合柱抗震性能的试验研究 D 大连： 大连理工大学 ， 2 0 0 7 收稿 日期 2 0 1 2- 0 21 4 作者简介 郭字 ( 1 9 8 4一) ， 女 ， 硕 士研究生 ， 黑龙江双鸭山 人 ， 主要从事钢骨 混凝 土 ， 超 高强混 凝土结 构抗 震性 能模拟和 试验研究工作 。