基于ABAQUS的超高性能混凝土柱抗震性能模擬

顧佳培 鄧宗才

摘要：為了探究新型水泥基復合材料-超高性能混凝土（Ultra high performance concrete）的抗震性能，結合3根低周反復荷載作用下UHPC柱的試驗，利用有限元軟件ABAQUS對UHPC柱進行了有限元建模。模擬所得滯回曲線和試驗結果符合較好，證明了本文所建立的有限元模型的正確性，為UHPC柱抗震性能的數值研究提供參考。

關鍵詞：超高性能混凝土柱；抗震性能；低周反復荷載；有限元分析

超高性能混凝土（Ultra high performance concrete）具有超高強度、高韌性和高耐久性的優點，將其應用于建筑結構中可以有效提高結構的抗震性能，在建筑物日趨向大跨度、超高層以及深海發展的時期，UHPC優異的性能使其成為了一種具有很大發展前景的材料。

本文基于3根UHPC柱的低周反復荷載試驗，利用有限元軟件ABAQUS建立了UHPC柱的模型，介紹了建模的具體過程和參數取值，并將有限元分析結果和試驗結果進行了對比，得出兩者的吻合性較好。

1.試驗介紹

試驗UHPC柱均為方形，柱截面尺寸為250mm×250mm，柱高分為375mm、500mm和1000mm三種，共3個試件。混凝土抗壓強度為120MPa，采用對稱配筋，縱筋直徑為16mm，箍筋直徑為10mm。具體配筋見圖1。試驗軸壓比為0.2。UHPC柱參數見表1。試驗采用力-位移加載方式，試件屈服前采用力控制，分別加載預估屈服荷載的25%、50%、75%、100%，每級荷載循環一次；試件屈服之后采用位移控制，每級位移分別為Δy、2Δy、3Δy……，Δy為試件屈服位移，每級位移下循環2次。當加載承載力下降到最大荷載值的85%時，試驗結束。

2.有限元建模

UHPC采用ABAQUS中的損傷塑性模型，參數取值參考李吳煜[1]研究結果，膨脹角取為38°，偏心率取0.1，雙軸受壓極限強度/單軸受壓極限強度的比值取1.14，不變應力比取0.6667，粘性系數取0.005。UHPC應力應變關系采用文獻[2-3]所提模型。UHPC的損傷因子采用能量等效法求得。鋼筋采用理想彈塑性模型，屈服強度為472MPa。

UHPC單元采用ABAQUS中的C3D8R單元，該單元每個節點有3個自由度，具有塑性變形和蠕變特性，可以形象描述UHPC帶裂縫工作的性質；鋼筋單元采用T3D2單元，每個節點有3個自由度，只能承受拉伸和壓縮荷載，不能承受剪力和彎矩；模型的網格劃分采用結構優化劃分法，采用全局尺寸0.05劃分；采用柱端加載的方式，在模型柱頂端中心處建立參考點RP1，將參考點與柱頂表面耦合在一起，考慮鋼筋和UHPC的接觸，采用內置區域的方式，將鋼筋骨架嵌入UHPC中；柱底面采用固端約束，沒有任何的位移和轉動。

3.結果分析

模擬完成后提取加載點RP1的反力和位移數據，繪制出柱的滯回曲線。將有限元模擬所得滯回曲線與試驗結果進行對比，如圖3所示。

由圖3可以得出：（1）柱端水平荷載達到峰值之前模擬曲線和試驗曲線吻合較好；（2）在峰值荷載之后，尤其是試件達到極限位移之后，模擬曲線和試驗曲線有所偏離，試驗滯回曲線明顯更為飽滿，滯回環面積更大。其原因在于有限元建模時并沒有對鋼纖維單獨建模，因此無法考慮到峰值荷載后，在UHPC短柱裂縫處大量分布的鋼纖維發揮的耗能作用；（3）隨著剪跨比的增大，UHPC柱的滯回環明顯更加飽滿，滯回性能提高。

4.結論

本文基于超高性能混凝土柱的試驗進行了有限元建模，介紹了UHPC柱建模的方法。與試驗滯回曲線對比得出較好的吻合性，為UHPC柱抗震性能的有限元模擬提供一定的參考。

參考文獻

[1]李吳煜.RPC材料的塑性損傷本構模型參數識別及有限元驗證[D].北京：北京交通大學，2009.

[2]吳有明.活性粉末混凝土（RPC）受壓應力-應變全曲線研究[D].廣州：廣州大學，2012.

[3]楊志慧.不同鋼纖維摻量活性粉末混擬土的抗拉力學特性研究[D].北京：北京交通大學，2006.

[4]朱伯龍，姚振綱，呂西林.結構抗震試驗[M].北京：地震出版社，1989.

作者簡介：顧佳培（1993-），男，漢族，浙江寧波，碩士研究生，研究方向為纖維混凝土。

（作者單位：北京工業大學城市與工程防災減災省部共建教育部重點實驗室）