鋼筋混凝土T型節點位移極限仿真模擬

胡金輝，孫穎娜，張麗娜，申智鵬，李贊，王寧，龐傲璇

（黑龍江大學水利電力學院中俄寒區水文水利工程聯合實驗室，哈爾濱 150080）

0 引言

與傳統的現澆建造方式相比，裝配式結構具有施工質量好、全壽命消耗低等優勢，被國際社會視為可持續發展的結構[1]。然而，傳統裝配式建筑的整體性和抗震性能較差，節點是結構破壞的核心部位，承受梁和柱傳來的力，對建筑的整體結構的安全性和穩定性具有極其重要的作用[2]。目前對節點的結構性能仍有許多尚不明確的位置，由于實際實驗需要花費大量的人力物力，本文通過ANSYS有限元模擬節點的位移狀況，以期對節點的研究提供一種可借鑒參考的模擬方法[3-5]。

本文針對T型梁柱節點連接在實驗中的位移變形過程，利用ANSYS軟件，在SC平臺建立幾何模型并利用APDL輸入模型的材料參數，求出在實驗過程中產生的最大應力和最大位移，同時校核整體結構，對鋼筋混凝土T型節點進行仿真模擬研究[6]。

1 實驗過程

在實驗的過程中，梁的上下面分別布設位移計；同時在鋼筋上設置位移計和應變片。通過計算機采集應變片上的數據（如圖1），模型的詳細布置如圖2所示。具體量測內容和方法如下：1）由于軸向壓縮載荷的應用，在節點區域產生的主拉應力減小了，所以柱所受的軸向載荷對節點抗剪能力是有利的。梁右側的自由端通過液壓千斤頂加載來施加豎向位移；液壓加載系統可以測得千斤頂的加載值，位移計可以測量梁自由端的位移。2）柱頂軸力通過液壓千斤頂施加，施加的荷載通過其上的應變片全過程監測。開始對柱頂施加軸力到9480 N時，保持荷載恒定。然后在右側梁端施加沿Y負方向的位移，當加載至梁端位移為-8.0 mm左右時，開始出現明顯下彎段，試件達到屈服，記錄此時梁端荷載和屈服位移Δy；繼續施加位移，梁的左右側面及底面逐漸出現因混凝土破壞而露出的箍筋和下部的縱筋。出現這種情況就可以大致說明梁已經喪失了其相應的承載力[7]。

圖1 試驗設備

圖2 構件模型

2 材料選擇及其屬性

材料選擇非線性材料中的鋼筋及普通材料中的混凝土；鋼筋的彈性模量為190 GPa，屈服強度為470 MPa，切線模量為1000 MPa。

混凝土的各參數如表1所示，并以APDL語言輸入。

表1 混凝土參數值

本文使用的是CPT215單元（如圖3）。

圖3 CPT 215 單元

材料屬性的APDL程序語言如下：

2.1 網格劃分

將Program order中的program control設置為lenear，將尺寸大小Size設置為25 mm，在Mesh中插入一個method，并將方法選擇為multizone，再在Mesh中插入一個Size，選中所有的199條邊，將尺寸同樣設置為25 mm，生成10 174個節點和6824個單元。這時網格的平均質量為1，滿足網格劃分的精度要求，如圖4所示。

圖4 網格劃分

2.2 模型簡化及約束條件設置

由于模型是對稱結構，故在模擬時沿圖中所示平面取一半的結構分析即可，如圖5所示。模擬的總時間為2 s，在柱的上端和下端分別施加約束，使構件在X方向上的位移為0，0～1 s在柱子的上端沿Y方向逐漸施加由0 N至-9480 N的荷載，1～2 s內使豎向荷載維持恒定。在柱的下端施加約束，在模擬時間段內使構件在Y方向上的位移為0。在1～2 s時間段內，在梁端施加由0至-80 mm的豎向位移。在該模擬中時間也可以等同視為步驟，對模擬結果并沒有影響。

圖5 模型簡化

圖6 結構總變形云圖

2）模型的鋼筋等效塑性應變云圖如圖7所示。屈服準則選用Von Mises屈服準則，梁的上部鋼筋在1.1 s左右時發生了屈服，在1.5 s時塑性應變達到0.045，而后等效的塑性應變不再增長，表明構件發生了破壞。

圖7 結構塑性變形云圖

3）模型的鋼筋等效應力云圖如圖8所示。在1.1 s時應力急劇上升到500 MPa，表明鋼筋開始屈服，隨后又平穩上升到約600 MPa，此階段為強化階段，在1.5 s后，應力呈現下降，表明構件已經喪失了承載力。

圖8 結構等效應力云圖

4）選擇analysis setting后插入probe，在該模塊中選擇Force reaction，并選擇對象為梁端的下邊緣線。模型在梁端的位移和受力關系圖是通過選中Force reaction和Directional deformation后插入Chart生成，由于研究對象選取的是對稱結構，且考慮到坐標軸的方向，則需要對結果乘以系數-2加以修正，結果如圖9所示。

圖9 模擬結果

2.3 實驗數據

1）模型的總變形的云圖如圖6所示，其中梁端在1～2 s時間段內發生最大的位移為89.112 mm，柱的下端為最小位移0.296 mm，柱的中部產生了5 mm左右的位移。

3 對比結果

從對比結果（如圖10）可以看出，本文仿真模擬值與ANSYS Inc[9]的模擬值和與相關實驗的實測值偏差僅為6%左右。模擬與實測值的偏差并不大，說明該建模的幾何模型、約束的簡化及加載過程都符合鋼筋混凝土T型節點實驗的實際情況。同時也可以確定本文的模擬仿真方法精確度比較高，但在彈性階段實測值小于模擬值，存在的原因主要是以下兩個方面：1）在Workbench仿真平臺中的模擬所采用的鋼筋和混凝土都是理論的截面大小，實際模型中的材料尺寸和相關參數都存在著一定的偏差[8]；2）鋼筋混凝土T型節點接頭處存在焊接連接，Workbench仿真平臺中的連接大都采用固定連接，不同的連接方式會導致仿真模擬值與實驗的實測值中的結果差異。

圖10 模擬與實驗結果對比

4 結語

研究結果可以說明：1）通過編程輸入材料屬性的方式，可以模擬鋼筋混凝土T型節點在施加位移情況下的受力情況。本文驗證了利用計算機即可仿真模擬鋼筋混凝土構件的變形和結構的計算，可減少生產實際模型，從而節省人力物力。2）鋼筋混凝土梁柱節點的仿真模擬值與ANSYS Inc[9]的模擬值和與實測值，三者的結果走勢一致，且偏差都只有6%左右。說明模擬仿真可靠性比較高，具有較好的研究意義。可對該方法進一步深入研究，為類似的結構變形計算提供一定的參考依據。