鋼管混凝土疊合柱-鋼筋混凝土梁節點滯回性能有限元分析

趙劍　馬永超　莊金平

(1.福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室(福建工程學院)　福建福州　350108 ；2.福州大學　福建福州　350108)

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鋼管混凝土疊合柱-鋼筋混凝土梁節點滯回性能有限元分析

趙劍1,2馬永超1,2莊金平1

(1.福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室(福建工程學院)福建福州350108 ；2.福州大學福建福州350108)

為了研究鋼管混凝土疊合柱-鋼筋混凝土梁節點的傳力機理，基于ABAQUS有限元軟件建立了非線性有限元模型。模型主要考慮材料和幾何的非線性、混凝土在往復加卸載下的塑性損傷退化、鋼筋和混凝土的粘結滑移。和試驗結果對比表明：研究所采用的有限元模型對于梁端力-位移滯回曲線關系、節點剛度和梁極限抗彎承載力的模擬與試驗結果吻合良好，驗證了該有限元模型可以用于該類節點的抗震性能分析。

ABAQUS；鋼管混凝土疊合柱；滯回曲線；抗震性能

0　引言

鋼管混凝土疊合柱，又稱為勁性鋼管混凝土柱、鋼管混凝土核心柱或者配有鋼管的鋼骨混凝土柱，是一種新型的組合柱，具有結構承載力高、抗火性能好、經濟性能優越等優點，在一些實際工程中得到了應用。然而當前對鋼管混凝土疊合柱-鋼筋混凝土梁節點的抗震性能方面的研究仍然不夠深入。本文基于ABAQUS非線性有限元軟件，提出建立該類模型的方法，并和試驗結果進行了對比，探討了該方法對于分析該類節點抗震性能的有效性，從而為進一步研究該類型節點的抗震性能提供依據。

1　有限元模型

鋼管混凝土疊合柱-鋼筋混凝土梁節點的滯回性能模擬主要難點在于相應的材料本構選取、混凝土的損傷演化考慮以及不同材料間的接觸關系設置。

1.1材料本構

混凝土的本構模型采用ABAQUS中提供的混凝土塑性損傷模型(Concrete Damaged Plasticity Model)。對于混凝土受壓應力應變關系，疊合柱鋼管內采用韓林海[1]鋼管約束核心混凝土模型，鋼管外的柱混凝土采用Frédéric Légeron[2]鋼筋約束混凝土模型，混凝土樓板和混凝土梁采用Attard[3]素混凝土本構，對于受拉應力應變關系，采用沈聚敏[4]混凝土單軸受拉本構模型。

由于往復加載試驗，混凝土存在損傷的演化、發展和累積并最終造成破壞，因此還要考慮混凝土損傷對結構性能的影響。在ABAQUS中，通過在CDP模型中輸入受壓損傷因子dc和受拉損傷因子dt來對初始剛度進行修正。采用Britel和Mark[5]的模型，計算公式如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

對于不同的bc和bt值，損傷因子會發生較大的變化。bt取0.2～0.4之間時對損傷因子dt的影響不大，而且取值在此范圍內較易收斂，本文取bt=0.2，bc=0.7。另外，通過定義兩個介于0和1之間的參數ωt和ωc來考慮混凝土由受壓轉向受拉和受拉轉向受壓的剛度恢復，取wt=0.5，wc=1。

鋼筋以及鋼管均采用雙折線隨動強化模型。強化段彈性模量取0.01倍的各鋼材彈性模量。

1.2單元選擇與接觸設置

混凝土采用八節點減縮積分的三維實體單元，即C3D8R單元。鋼筋采用兩節點三維線性梁單元，即T3D2單元。對于鋼管和加勁短鋼梁的翼緣和腹板，采用通用四節點殼單元S4。

通過定義法向和切向的接觸關系來模擬鋼管和內外混凝土間的接觸關系。在法線方向，鋼管和外混凝土、鋼管和內混凝土間的接觸為“硬接觸”(“Hard Contact”)。在切線方向，混凝土和鋼材之間采用“Penalty”中的“friction coef”來考慮鋼材和混凝土界面間的摩擦力。鋼管和管內混凝土的摩擦系數，取0.25。對于鋼管和管外混凝土的摩擦系數取為0.6。

由于加載后期鋼筋和混凝土間發生粘結滑移，且對節點滯回性能影響較大，因此建模時通過在相應節點間設立三向彈簧來考慮。彈簧剛度如式(3)所示，粘結滑移模型采用Houde和Mirza[6]模型，表達式如式(4)所示。

(4)

其中的τ為粘結應力；s為鋼筋和混凝土之間的滑移；fc′為混凝土圓柱體抗壓強度。

2　模型驗證

為驗證該有限元計算方法的正確性，對文獻[7]的4個試件的試驗結果進行模擬。其中試件CJ-4為帶樓板節點試件， CJ-1、CJ-2和CJ-3為不帶樓板試件其構件尺寸及配筋如圖1所示。支座及加載方式為柱端鉸支座，在梁端進行周期往復加載。

梁柱混凝土均為C60，鋼材材性如表1所示。

表1　鋼材材性　MPa

2.1梁端力-位移滯回曲線

根據上文所述建模方法建立有限元模型如圖2所示。

梁端力-位移關系曲線能綜合反映節點在往復荷載作用下的受力性能，是進一步分析節點承載力、剛度及強度退化規律、節點耗能、節點延性等參數的基礎，對抗震性能有重要意義。由于試驗節點在加載后期鋼筋與混凝土發生了明顯的滑移，而且混凝土在往復加載下發生了塑性損傷累積，所以，曲線帶有明顯的“捏縮”特點。從圖3可以看出，計算得到的滯回曲線在極限承載力、初始剛度和加卸載剛度等方面總體吻合良好，基本模擬出了曲線“捏縮”的特點。

2.2骨架線分析

圖4列出了計算得到的4根試件的梁端荷載(P)-位移(Δ)曲線骨架線和試驗骨架線的對比，從圖中可以看出模擬的骨架線與試驗結果吻合良好。能較好地反映出節點試件的初期剛度和后期的剛度退化規律。此見，極限承載力也與試驗結果吻合較好。

(a) CJ1 (b) CJ2 (c) CJ3 (d) CJ4

圖3梁端力(P)-位移(Δ)曲線對比

3　結論

通過考慮模型的幾何和材料非線性、混凝土損傷、鋼管和內外混凝土之間的截面接觸、梁縱筋和混凝土的粘結滑移，本文提出的建模方法可以較好地模擬出鋼管混凝土疊合柱-鋼筋混凝土梁節點的滯回性能，對節點抗彎初始剛度及極限梁端抗彎承載力均擬合良好。

本文建模方法可以為后續該類型節點受力機理分析以及參數分析提供依據。

[1]韓林海．鋼管混凝土結構-理論與實踐(第二版)[M]．北京：科學出版社，2007.

[2]Légeron F,Paultre P.Uniaxial confinement model for normal and high-strength concrete columns [J].Journal of Structural Engineering,2003,129(2):241-252.

[3]Attard.M.M,Setunge S.Stress-strain relationship of confined and unconfined concrete [J].Materials Journal,1996,93(5):432-442.

[4]沈聚敏，王傳志，江見鯨．鋼筋混凝土有限元與板殼極限分析[M]．北京：清華大學出版社，1993.

[5]Britel V,Mark P.Parameterised finite element modeling of RC beam shear failure.2006 ABAQUS Users’s Conference,2006,95-108.

[6]Saeed M.Mirza,Jules Houde.Study of bond stress-slip relationships in reinforced concrete [J].Journal of the American Concrete Institute.1979,(1):19-46.

[7]Liao FY,Han LH,Tao Z.Behavior of composite joints with concrete encased CFST columns under cyclic loading: experiments [J].Engineering Structures,2014,59(2):745-764.

FEM Analysis on Cyclic Behavior of Joints with Concrete encased CFST Column and RC Beams

ZHAO Jian1,2MA Yongchao1,2ZHUANG Jinping1

(1.Fujian Provincial Key Laboratory of Advanced Technology and Informatization in Civil Engineering(Fujian University of Technology)，Fuzhou 350108; 2.Fuzhou University， Fuzhou 350108)

In order to figure out the working mechanism of concrete filled steel tube (CFST) column to reinforced concrete (RC) beam joints,finite element models were established using ABAQUS software.The model has taken account of material and geometry nonlinear,plastic-damage of concrete under cyclic load,and the bond-slip behavior between concrete and steel bars.Comparing with testing result,the finite element models are very effective in explaining the P-Δ hysteretic curve、stiffness of joint and ultimate flexural capacity of beam.Thus the model can be used to analysis seismic performance of this kind of joint.

ABAQUS； Concrete encased CFST column； Hysteretic curve; Seismic performance

福建省自然科學基金(2015J01182)；福建工程學院科研啟動基金(GY-Z13119)

趙劍(1988-)，男，助理實驗師。

E-mail:zhaojian@fjut.edu.cn

2016-03-10

TU375

A

1004-6135(2016)04-0045-03