UHTCC新型框架邊節點抗震性能非線性分析

蘇 駿， 吳 鵬， 汪思維

(湖北工業大學土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068)

UHTCC新型框架邊節點抗震性能非線性分析

蘇 駿， 吳 鵬， 汪思維

(湖北工業大學土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068)

為了研究UHTCC新型框架邊節點在擬靜力條件下的抗震基本性能，采用OpenSEES分析軟件對UHTCC新型框架抗震節點進行了非線性數值模擬，分析了高韌性水泥基復合材料(UHTCC)在節點區的澆筑范圍對抗震節點基本性能的影響。結果表明：有限元分析結果能較好反應UHTCC框架邊節點的抗震性能，說明數值模擬所選取的材料參數以及本構關系具有較好的合理性和適用性，可為今后類似試驗研究和理論分析提供依據。

高韌性水泥基材料； 低周反復荷載； OpenSEES； 抗震性能

節點的傳力可靠是保證框架結構在地震作用下安全性的重要條件。在地震作用下框架結構的損傷甚至破壞主要是由于框架節點區的變形能力不足或耗能能力差，框架梁柱節點是結構抗震能力的薄弱部位[1]。“強節點弱構件”是多高層抗震設計中必須遵循的一條基本原則，目的是為了保證結構發生延性破壞，在破壞前會產生明顯的變形，而不是發生瞬間的脆性破壞。通常框架結構的節點關鍵部位在受到周期反復荷載作用時會產生很大的內力，大量的震害調查表明，鋼筋混凝土框架的損傷與破壞多集中于節點及其附近區域，大多框架結構的破壞都可歸咎于節點區域的破壞，主要是由于節點的位置具有其特殊性，不易配制箍筋或其配箍率未達到結構設計要求，且節點破壞后很難加固修復。目前國內外對于框架節點的研究大都集中在節點核心區抗剪性能和節點區的配箍設計上。為提高鋼筋混凝土框架節點的抗震性能，傳統的方法是在節點核心區加密箍筋、采用更高強度的鋼筋、改善配筋形式，但過多的箍筋使節點區構造復雜，施工困難，無法保證節點的澆注質量，同時箍筋對混凝土約束效果并不明顯，延性框架結構抗震設計急需解決節點的延性性能和耗能能力問題。

高韌性水泥基復合材料(Ultra High Toughness Cementitious Composites，簡稱UHTCC)廣泛應用于海工、港工、水工、道路、橋梁、工業與民用建筑等，該材料在彎拉荷載作用下呈現較好的應變硬化特征和飽和微細裂縫特征，同時具有很好的抗滲透性能，UHTCC應用于結構的關鍵部位可以有效防止二氧化碳、氧氣、水分及有害物質如氯離子等的滲透，從而提高鋼筋混凝土結構的使用壽命[2-3]。此外，UHTCC材料的拉應變硬化特征有效提高結構承載力，同時構件的截面尺寸、箍筋的配箍率等方面也符合各類設計規范的要求，UHTCC的應用在一定范圍內減輕了框架結構的自重，UHTCC材料優良的耐久性能有效降低了框架結構后期的維護成本。鑒于此，框架梁柱節點核心區域采用UHTCC材料替代箍筋可有效減少核心區箍筋的用量，在增加節點抗剪承載能力和耗能性能的同時。其生命周期成本較普通混凝土大為降低。

本文主要通過OpenSEES分析軟件對UHTCC新型框架邊節點進行抗震性能分析，研究UHTCC新型材料應用于框架節點關鍵部位的可行性，為今后類似試驗研究和理論分析提供依據。

1 基于Opensees的有限元模型

1.1混凝土本構模型

本文采用基于Kent-Park的單軸混凝土應力-應變關系的Concrete01 Material混凝土本構模型[4]，骨架曲線是由Park和Priestley在原來的Kent-Park模型上進行修改得到，用來考慮箍筋的約束對核心區混凝土強度和延性的強化。該模型骨架曲線參數少，物理意義明確，數值穩定性較其他模型好，而且模型在簡化和精確上達到了良好的平衡。

1.2鋼筋本構模型

鋼筋采用基于考慮等向應變強化的Steel02 Material本構關系模型[5]。在本文的分析中，代表材料從彈性階段過渡為塑性階段的三個參數分別為18.5、0.925和0.15；其等向強化參數依次設為0、1、0、1，應變硬化率取0.02。

1.3梁柱節點模型

OpenSEES中的Beam Column Joint節點分析單元可用于分析UHTCC新型框架邊節點在低周反復荷載作用下的基本性能[6]，該單元將節點的剪切破壞和錨固分開，分別模擬核心區剪切破壞、節點的錨固破壞及梁柱交界面處的剪切破壞。該模型主要通過三個組成元件來表現節點的受力破壞機制(圖1)。

圖1中的三種組成原件，OpenSEES均采用1個廣義一維荷載-變形滯回反應材料(Pinching4)來模擬。通過骨架曲線的定義，卸載、再加載路徑和損傷規則來建立該模型。在該模型中，骨架曲線為多線型，16個參數被用來指定骨架曲線的8個特征點；再加載和卸載路徑為三線型，6個參數分別用于指定正負方向上再加載和卸載的起點。

1-外節點；2-粘結滑移彈簧；3-交界面剪切彈簧；4-內節點；5-剛性內界面；6-剛性外界面圖 1 梁-柱節點模型

2 UHTCC新型框架抗震節點基本性能分析

2.1新型框架抗震節點試件設計

試件采用實際框架結構中的邊節點組合體單元，試件的配筋按現行規范[7]進行設計，混凝土為C30，柱截面尺寸為400 mm×400 mm，梁截面尺寸為200 mm×400 mm，試件參數變量為節點核心區域UHTCC的澆筑范圍，該節點設計遵循“強構件弱核心”的抗震設計理念，試件的尺寸和配筋形式見圖2，UHTCC澆筑范圍見表1。

圖 2 試件的幾何尺寸及配筋圖

試件編號UHTCC使用范圍a/mmb/mm核心區軸壓比nRC?1---0．25UHTCC?1300100全部0．25UHTCC?2900300全部0．25UHTCC?3全部全部全部0．25注：UHTCC使用范圍外的為普通混凝土；“-”表示不使用UHTCC，為普通混凝土

2.2UHTCC材料及本構關系參數確定

UHTCC基本組成材料主要是2%的PVA纖維體積摻量、低摻量水泥、大摻量粉煤灰以及優質細砂，隨機分布的短纖維增強水泥基復合材料具有耐久性能好、優良的韌性和高的能量吸收能力。UHTCC材料在單軸拉伸情況下的應力-應變曲線見圖3，圖3所示的路徑I雙線性模型較準確地反映了試驗測定的結果，體現了UHTCC材料的應變硬化基本特征。多數情況下，為了簡化計算，建議采用圖3給出的路徑II來反映其受拉的力學性能。圖中，σtc，σtu分別是起裂拉強度和極限抗拉強度；εtc，εtu分別為起裂拉應變和極限拉應變。UHTCC材料參數見表2。

圖 3 單軸拉伸作用下UHTCC的應力-應變圖

fc/MPaεtcσtc/MPaεtuσtu/MPaE/GPa400．026%4．04．2%5．9817．0

UHTCC材料采用Concrete01單元模型，單軸受壓時的峰值應力及應變取值為(-40，-0.005)，極限點應力及應變取值為(-8.64,-0.034)[8]。對于受箍筋約束作用的UHTCC框架梁柱節點，取強度增強系數K=1.1，相應的軸心抗壓強度和壓應變分別為Kfc和Kε0。

經過分析，數值模擬中用到的混凝土材料相關參數見表3。由現行規范[7]得，HRB400級鋼筋的屈服強度標準值fyk為400 MPa，極限強度標準值為540 MPa，彈性模量Es為200 GPa。

表3 混凝土材料的相關參數

2.3OpenSEES模擬結果分析

試件的梁端荷載-位移滯回曲線和骨架曲線見圖4和圖5。

圖 4 試件UHTCC-1的滯回曲線

圖 5 各試件的骨架曲線

分析上述模擬結果可知：

1)從有限元分析結果可以看出，荷載-位移骨架曲線具有關于原點較好的對稱性，UHTCC新型框架抗震節點的極限承載力為30.3 kN，而普通混凝土節點的極限承載力為26.4 kN，相比較，UHTCC新型框架抗震節點極限承載力提高了15%。此外，UHTCC新型框架抗震節點的滯回曲線較為飽滿，強度退化現象不明顯，意味著構件的破壞形式更趨向于延性破壞，破壞前整個結構有較大的變形，吸收和耗散更多的能量。UHTCC材料具有良好的抗剪性能和高韌性，更適合應用于延性框架結構中的核心抗震關鍵部位。

2)從圖5可以清楚地看出梁端UHTCC澆筑范圍對框架節點抗震性能的影響，隨著UHTCC的使用范圍增大，滯回環循環次數增多，但峰值荷載的變化卻不明顯，說明在節點核心區外澆筑UHTCC對框架節點抗震性能的提高有限。

3 主要結論

用有限元軟件OpenSEES對UHTCC新型框架邊節點抗震性能進行了非線性分析，得出了以下結論。

1)通過OpenSEES中的剪切板元件、鋼筋粘結-滑移元件和交界面的剪切彈簧元件，以及合適的本構模型關系可以較好的模擬出框架梁柱抗震節點在低周反復荷載作用下的受力特征。

2)因UHTCC材料的橋聯作用，在節點核心區出現裂縫后，承載能力仍可以不斷增強，試件的抗剪性能和變形能力也顯著提高。所以在框架結構的關鍵部位使用UHTCC材料可以提高節點的抗震性能，同時UHTCC優異的抗剪能力可以替代箍筋的作用，解決了節點核心區域箍筋密集，施工困難等問題。

[1] 梁興文, 邢朋濤, 王英俊. 局部采用纖維增強混凝土梁柱節點抗震性能的數值分析[J]. 西安建筑科技大學學報(自然科學版), 2014(2):187-193.

[2] 徐世烺，李賀東. 超高韌性水泥基復合材料研究進展及工程應用[J].土木工程學報，2008，41(6):45-60.

[3] 蘇駿, 徐世烺. 高軸壓比下UHTCC梁柱節點抗震性能試驗[J]. 華中科技大學學報(自然科學版), 2010,38(7):53-56．

[4] Matamoros, A B. Study of drift limits for high-strength concrete columns[D]. Illinois: University of Illinois at Urbana-Champaign, 1999.

[5] Scott B D, Park R, Priestley M J N. Stress-strain behavior of concrete confined by overlapping hoops at low and high strain rates[J]. ACI Journal, 1982, 79(1):13-27.

[6] Lowes L N, Mitra N, Altoontash A. A beam-column joint model for simulating the earthquake response of reinforced concrete frames[M]. Pacific Earthquake Engineering Research Center, College of Engineering, University of California, 2003.

[7] 中華人民共和國住房與城鄉建設部. 建筑抗震設計規范(GB50011-2010)[S]. 北京: 中國建筑工業出版社，2010．

[8] 吳健秋. 基于OpenSees的梁-柱節點單元的適用性和定參方法研究[D]. 重慶:重慶大學，2007.

[責任編校：張巖芳]

Non-linearAnalysisofSeismicBehaviorofUHTCCReinforcedBeam-columnJoints

SU Jun, WU Peng, WANG Siwei

(SchoolofCivilEngin.ArchitectureandEnvironment,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

In order to study the seismic behavior of UHTCC reinforced frame joints under quasistatic condition, numerical simulation is carried out in this paper using finite element software OpenSEES. The influence of pouring range of UHTCC on seismic behavior of beam column joints is also analyzed. The results show that the finite element analysis results can well reflect the seismic performance of UHTCC frame side joint reaction, indicating the material parameters of numerical simulation and the constitutive relation are reasonable and applicable, can provide the basis for the analysis of similar experiments and theory.

high toughness cementitious composites；low cyclic loads; OpenSEES; seismic performance

2016-12-19

蘇 駿(1971-)， 男， 安徽六安人，工學博士，湖北工業大學教授，研究方向為結構工程

1003-4684(2017)05-0013-03

TU375.4

A