基于ABAQUS的ECC框架节点有限元分析

樊亚菲

【摘 要】ECC是一种新型水泥基材料，根据我们课题组对ECC混凝土的试验研究，表明该材料具有良好的承载能力和耗能特性。利用我们课题组试验所得到的ECC混凝土本构关系，并利用ABAQUS软件分別建立3个模型进行分析。结果表明：只要节点区PVA-ECC配置合理，采用PVA-ECC的节点具有良好的承载能力和抗震性能。

【关键词】ECC框架节点； 抗震性能； 有限元分析

0 前言

国内外学者对ECC纤维水泥基复合材料的研究已经较为深入。Li Victor C[[[] Li V C. Concrete Construction Engineering Handbook [M]. USA： CRC Press， 2007.]]等人提出了聚乙烯醇（PVA）体积掺量为 2%的 ECC 在单轴拉伸荷载条件下的典型应力–应变曲线，得出极限应变达到5%时，裂缝宽度始终保持在60左右，并且它与这种材料是否配筋以及配筋率大小无关，只是由材料本身性质决定。

高淑玲等[[[] 高淑玲，徐世烺.PVA纤维增强水泥基复合材料单轴抗压试验研究[J].混凝土与水泥制品，2009，3（6）：43-45]]采用圆柱体试件，试验研究了2%体积掺量的PVA纤维增强水泥基材料抗压性能与普通混凝土的抗压性能区别，结果表明，当PVA-ECC的抗压强度在20～40MPa之间时。PVA-ECC峰值应力所对应的应变可达0.8%～1.5%，是混凝土峰值应力对应应变的4～7倍，PVA-ECC极限压应变是混凝土极限压应变的5～10倍。

Fischer G等[[[] Fischer G， Li V C. Effect of Matrix Ductility on Deformation Behavior of Steel Reinforced ECC Flexural Members under Reversed Cyclic Loading Conditions [J]. ACI Journal of Structures， 2002， 99（6）： 781-790.]]对R/ECC柱在低周往复荷载作用下进行了试验研究。结果表明，R/ECC构件具有更饱满的滞回曲线，可以吸收消耗更多能量。RC构件底部的保护层严重剥落，构件严重破坏，而R/ECC构件表面并没有出现保护层剥落现象，构件产生弯曲变形而不是出现剪切破坏并保持了良好的整体性。但是，对ECC水泥基材料增强预制框架节点抗震性能研究还鲜有发觉。对于新型材料在结构中的应用情况还很难找到参考。

1 ECC力学性能试验简述

为了研究ECC纤维水泥基复合材料的基本力学性能，分别制备不同材料配比的ECC纤维水泥基复合材料，并对其进行抗拉、抗压、抗折和四点弯矩试验。试验得到以下结论：

1.试验多次试配材料的投料顺序与搅拌时间，最终确定的方法完全能保证纤维在基体中的均匀分布，并无泌水现象的产生，显示出材料优异的工作性能。各配合比的流动度随着粉煤灰掺量的增加先增大后减小，流动性能十分出色。

2.抗压试验中，最大抗压强度均值为63.77MPa，最小抗压强度均值为21.66MPa。伴随粉煤灰掺量在基体中所占的比例的提高，抗压强度均值则单调减小。抗压强度试验后，抗压试块内部结构已经破坏，但由于纤维的加强作用，试块外表面未出现明显的裂痕。

3.抗折试验中，抗折强度均值在12.46MPa至16.95MPa范围内，抗折强度亦如抗压强度那样随着粉煤灰掺量的增加而单调下降。抗折试验破坏后的试块，再次进行抗压强度试验，得出的结果与边长70.7mm

的立方体抗压强度均值进行比较发现，两者由于尺寸的原因，呈现一定的比例关系。

4.四点弯曲试验中，随着粉煤灰掺量的增加，抗弯比例极限强度、抗弯强度均呈现下降趋势，而抗弯弹性模量则先升高后下降。试件在四点弯曲试验中最大极限挠度达到了26.6mm。四点弯曲试验中的试件在纯弯段出现大量细密裂缝，可以均匀吸收能量，裂缝的间距大致相等。

5.直接拉伸试验中，各组配合比的极限抗拉强度在2MPa上下浮动，最大为2.28MPa，最小为1.88MPa。极限抗拉强度随着粉煤灰掺量的增加呈现下降的趋势，但总体来说，粉煤灰的掺量变化对抗拉强度的影响不显著。

上述结论证明，ECC纤维水泥基复合材料具有良好的工作性能，但是能否应用于框架结构之中，且用量对抗震性能的影响我们还不得而知。下面建立3个ABAQUS模型对这个问题进行分析。

2 有限元分析

2.1参数选取

文献[[[]赵斌，吕西林，刘海峰.预制高强混凝土结构后浇整体式梁柱组合件抗震性能试验研究[J].建筑结构学报，2004，25（ 6） ： 22 -28]]中的模型参数进行设计试件1为高强度混凝土节点，梁截面尺寸为200mm500mm，主界面尺寸为300mm400mm。混凝土强度等级为C60，梁柱受力丛集以及箍筋全部采用三级钢筋HRB400。试件采用对称配筋，纵筋直径为16mm，箍筋直径为6mm。设计轴压比为0.15以保证“强柱弱梁”的要求。试件的具体尺寸如图2-1所示。

图2-1 试件配筋图

试件2、试件3的梁柱截面尺寸以及配筋与试件1相同。不同之处在于梁柱节点核心区ECC纤维水泥基复合材料施加区域的长度。试件2、试件3分别在梁柱节点核心区施加0.5倍梁高，1倍梁高的ECC纤维水泥基复合材料。

2.2有限元模型的建立

按照上节所述，建立有限元模型如图2-2所示，模型中混凝土采用ABAQUS中混凝土损伤塑性模型，C60普通混凝土根据规范[[]]计算得到，PVA-ECC水泥基复合材料的数据来自于试验实测数据。钢筋的本构模型采用三折线模型。

图2-2有限元模型

图2-3混凝土本构关系模型

2.3 结果分析

分析試件的滞回曲线、"骨架曲线"、和刚度退化曲线。节点以的加载方式为在出现混凝土开裂之前采用力控制加载方式，出现开裂之后改为位移控制加载方式。在Abaqus中判断混凝土开裂的方式是在应力云图中若出现峰值应力大于混凝土最大拉应力则判断为混凝土开裂，并以此点为力控制与位移控制的变化点。

图3-1为试件1的滞回曲线。节点在力达到15.42KN的时候在节点梁柱交接位置出现开裂。此时的位移是8.3毫米。并以此转化为位移控制，取Δ=8.5mm，并以1.5Δ、2Δ、3Δ持续循环，直到应力值下降到最大峰值应力的0.85倍结束。此节点最大峰值反力为70.74KN，滞回曲线呈梭形，且出现较大捏缩。

图3-1 试件1的滞回曲线

图3-2为试件2的滞回曲线。节点在力达到24.02KN的时在节点梁柱交接位置出现开裂。此时的位移是16.2毫米。并以次点转化为位移控制，取Δ=16mm，并以1.5Δ、2Δ、3Δ持续循环，直到应力值下降到最大峰值应力的0.85倍结束。此节点最大峰值反力为91.01KN，但是在节点进如塑性后，节点装配区域ECC混凝土的应力突然增大，造成承载力瞬间下降，试件破坏。

图3-2. 0.5倍梁高ECC节点滞回曲线

图3-3为试件2的滞回曲线。节点在力达到26.2KN的时在节点梁柱交接位置出现开裂。此时的位移是15.8毫米。并以次点转化为位移控制，取Δ=16mm，并以1.5Δ、2Δ、3Δ......持续循环，直到应力值下降到最大峰值应力的0.85倍结束。此节点最大峰值反力为91.01KN，但是在节点进如塑性后，节点装配区域ECC混凝土的应力突然增大，造成承载力瞬间下降，试件破坏。（这段需要后改）

图3-3 一倍梁高ecc节点滞回曲线

图3-4为三种节点的骨架曲线，通过对比可知，试件3的骨架曲线呈现“S”型且明显好于试件1和试件2的骨架曲线，并且试件3的极限承载力和最大位移均明显好于试件1和试件2.因此，采用一倍梁高的ECC纤维水泥基复合材料装配式框架节点具有良好的延性和抗震性能。

图3-4三个试件的骨架曲线

图3-5为三个试件的刚度退化曲线，从曲线中我们可以发现，试件3的刚度退化最为缓慢，表现出良好的抗震性能。

图3-5三个试件的刚度退化曲线

3 结论

1.通过试验，说明ECC纤维水泥基复合材料具有良好的工作性能并且在通过Abaqus是模拟验证，说明ECC纤维水泥基复合材料可以应用于结构之中。

2.与传统的高强度混凝土框架节点相比，采用一倍梁高ECC纤维水泥基复合材料的装配式节点具有良好的延性和抗震性能。