基于OpenSees的預應力預制裝配式框架節點的有限元模型

關鍵詞：預應力預制;框架節點;OpenSees;有限元

中圖分類號：TU378.4;TU311.3 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）06-0012-03

Keywords：prestress prefabrication;frame node;OpenSees;finite element

0 ?引 ?言

由于預應力預制裝配式框架結構的節點通常需要二次澆筑，從而導致節點容易成為薄弱部位，在地震反復荷載下發生破壞。為了滿足強節點的要求，需要對節點進行大量的研究，試驗無疑是研究節點受力性能的重要途徑，但也存在著耗時、耗力的缺點。有限元模擬可以很好的解決這個問題，對節點的抗震性能做出準確的預估。節點處理方法將直接影響分析的準確與否與模擬精度。

表1總結了眾多學者對預應力預制裝配式框架節點有限元模擬的分析方法和模型缺點。由表可看出以往的建模方式比較復雜且不能很好的反映節點區真實的力學行為。提出了一種基于OpenSees的預應力預制裝配式框架節點的有限元模型，結合國內已有的試驗模型驗證所建立節點有限元模型的合理性[1]。

1 ?預應力預制裝配式框架結構的數值模擬

1.1 ?試驗介紹

本文選取柳炳康等人完成的兩層兩跨預應力預制裝配式框架結構試驗模型，進行OpenSees的有限元模擬。試驗框架層高1.6m，梁凈跨3.0m，采用預應力鋼絞線張拉，張拉控制應力為0.75fpt，屈服強度和極限強度分別為1811N/mm2和1974N/mm2，結構采用HRB335的非預應力筋和HPB235的箍筋。試驗具體尺寸、配筋信息詳見文獻[1]。

試驗選用EI Centro波，按地震波幅值分為110gal，220gal，320gal三種試驗工況進行加載。在試驗過程中，首先在柱頂和跨中施加豎向荷載至穩定狀態，再利用作動器施加水平荷載模擬地震作用。

1.2 ?有限元模型的具體實現

預應力預制裝配式框架節點的有限元模型如圖1所示，其中節點1～2、節點3～4之間建立基于纖維截面的非線性梁柱單元來模擬預制柱。節點5～6、節點6～7、節點7～8、節點11～12、節點12～13、節點13～14之間建立基于纖維截面的非線性梁柱單元來模擬預制梁。預制梁和預制柱的混凝土均采用Concrete02本構模型。節點8～9、節點10～11之間建立采用Concrete01本構關系的非線性纖維梁柱單元來模擬梁柱結合面的砂漿層。預應力筋用只承受軸向作用的桁架單元模擬，桁架單元在梁兩端與梁單元共享節點。為了模擬預應力筋的部分粘結特性，可以采用Equal DOF命令釋放預應力筋節點沿著梁長方向上的平動自由度。節點15～19、節點16～20、節點18～22、節點17～21之間建立桁架單元模擬普通鋼筋，采用Hysteretic本構關系。通過設置內外節點模擬梁柱節點域，節點3～23、節點2～25、節點10～26、節點9～29之間設置剪切彈簧模擬節點的剪切變形。節點27～31、節點28～32、節點20～29、節點21～30、節點19～27、節點29～33、節點22～28、節點30～34之間設置軸向伸縮彈簧模擬節點的軸向變形。通過設置連接節點24～27、節點24～29、節點26～30、節點26～28、節點23～27、節點23～28、節點25～29、節點25～30的剛性桿來保證內部節點處于同一個剛性平面。

運用本文介紹的預應力預制裝配式框架節點的有限元模擬方法，建立兩層兩跨預應力預制裝配式框架結構的有限元模型。將EI Centro波作為計算輸入數據進行彈塑性時程分析，取計算步長為0.02s。對比彈塑性分析結果與試驗結果，得到不同荷載工況下框架結構一層、二層的位移時程曲線對比如圖2所示。

整體上，框架結構位移時程曲線的模擬結果與試驗曲線具有相同的趨勢和相近的幅值，吻合良好，說明所建的節點有限元模型可以應用到框架整體模型中，并且可以較為真實的反映框架結構的動力響應。從數值模擬結果可以進一步發現，框架結構位移反應峰值出現在2.30s、4.53s附近，這與EI Centro波前10s加速度峰值出現的時刻2.12s、4.48s稍有不同，這與結構動力特性及地震動頻譜特性有關。

基于OpenSees的梁柱纖維模型可以較好的模擬預應力預制裝配式框架節點的滯回性能。砂漿層可以采用只考慮抗壓強度的Concrete01材料來模擬，從而可以考慮梁柱交界處開合的力學行為。設置內外節點且內外節點通過軸向伸縮彈簧和剪切彈簧連接可較為準確的模擬節點的變形。本文提出的節點OpenSees模擬方法可以對預應力預制裝配式框架節點的剛度和變形能力進行較為準確的評估。在建立節點有限元模型時并未考慮預應力筋的預應力損傷，需要進一步對有限元模型進行修正。

參考文獻：

[1] 黃慎江，柳炳康，凌琦.預壓裝配式預應力混凝土框架擬動力抗震性能試驗研究 [J].工業建筑，2011，41（12）：39-43.

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作者簡介：王晨晨（1994.11-），男，漢族，山東德州人，研究生，研究方向：裝配式結構設計方法及抗震性能的研究。