UHTCC新型框架边节点抗震性能非线性分析

苏 骏， 吴 鹏， 汪思维

(湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

UHTCC新型框架边节点抗震性能非线性分析

苏 骏， 吴 鹏， 汪思维

(湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

为了研究UHTCC新型框架边节点在拟静力条件下的抗震基本性能，采用OpenSEES分析软件对UHTCC新型框架抗震节点进行了非线性数值模拟，分析了高韧性水泥基复合材料(UHTCC)在节点区的浇筑范围对抗震节点基本性能的影响。结果表明：有限元分析结果能较好反应UHTCC框架边节点的抗震性能，说明数值模拟所选取的材料参数以及本构关系具有较好的合理性和适用性，可为今后类似试验研究和理论分析提供依据。

高韧性水泥基材料； 低周反复荷载； OpenSEES； 抗震性能

节点的传力可靠是保证框架结构在地震作用下安全性的重要条件。在地震作用下框架结构的损伤甚至破坏主要是由于框架节点区的变形能力不足或耗能能力差，框架梁柱节点是结构抗震能力的薄弱部位[1]。“强节点弱构件”是多高层抗震设计中必须遵循的一条基本原则，目的是为了保证结构发生延性破坏，在破坏前会产生明显的变形，而不是发生瞬间的脆性破坏。通常框架结构的节点关键部位在受到周期反复荷载作用时会产生很大的内力，大量的震害调查表明，钢筋混凝土框架的损伤与破坏多集中于节点及其附近区域，大多框架结构的破坏都可归咎于节点区域的破坏，主要是由于节点的位置具有其特殊性，不易配制箍筋或其配箍率未达到结构设计要求，且节点破坏后很难加固修复。目前国内外对于框架节点的研究大都集中在节点核心区抗剪性能和节点区的配箍设计上。为提高钢筋混凝土框架节点的抗震性能，传统的方法是在节点核心区加密箍筋、采用更高强度的钢筋、改善配筋形式，但过多的箍筋使节点区构造复杂，施工困难，无法保证节点的浇注质量，同时箍筋对混凝土约束效果并不明显，延性框架结构抗震设计急需解决节点的延性性能和耗能能力问题。

高韧性水泥基复合材料(Ultra High Toughness Cementitious Composites，简称UHTCC)广泛应用于海工、港工、水工、道路、桥梁、工业与民用建筑等，该材料在弯拉荷载作用下呈现较好的应变硬化特征和饱和微细裂缝特征，同时具有很好的抗渗透性能，UHTCC应用于结构的关键部位可以有效防止二氧化碳、氧气、水分及有害物质如氯离子等的渗透，从而提高钢筋混凝土结构的使用寿命[2-3]。此外，UHTCC材料的拉应变硬化特征有效提高结构承载力，同时构件的截面尺寸、箍筋的配箍率等方面也符合各类设计规范的要求，UHTCC的应用在一定范围内减轻了框架结构的自重，UHTCC材料优良的耐久性能有效降低了框架结构后期的维护成本。鉴于此，框架梁柱节点核心区域采用UHTCC材料替代箍筋可有效减少核心区箍筋的用量，在增加节点抗剪承载能力和耗能性能的同时。其生命周期成本较普通混凝土大为降低。

本文主要通过OpenSEES分析软件对UHTCC新型框架边节点进行抗震性能分析，研究UHTCC新型材料应用于框架节点关键部位的可行性，为今后类似试验研究和理论分析提供依据。

1 基于Opensees的有限元模型

1.1混凝土本构模型

本文采用基于Kent-Park的单轴混凝土应力-应变关系的Concrete01 Material混凝土本构模型[4]，骨架曲线是由Park和Priestley在原来的Kent-Park模型上进行修改得到，用来考虑箍筋的约束对核心区混凝土强度和延性的强化。该模型骨架曲线参数少，物理意义明确，数值稳定性较其他模型好，而且模型在简化和精确上达到了良好的平衡。

1.2钢筋本构模型

钢筋采用基于考虑等向应变强化的Steel02 Material本构关系模型[5]。在本文的分析中，代表材料从弹性阶段过渡为塑性阶段的三个参数分别为18.5、0.925和0.15；其等向强化参数依次设为0、1、0、1，应变硬化率取0.02。

1.3梁柱节点模型

OpenSEES中的Beam Column Joint节点分析单元可用于分析UHTCC新型框架边节点在低周反复荷载作用下的基本性能[6]，该单元将节点的剪切破坏和锚固分开，分别模拟核心区剪切破坏、节点的锚固破坏及梁柱交界面处的剪切破坏。该模型主要通过三个组成元件来表现节点的受力破坏机制(图1)。

图1中的三种组成原件，OpenSEES均采用1个广义一维荷载-变形滞回反应材料(Pinching4)来模拟。通过骨架曲线的定义，卸载、再加载路径和损伤规则来建立该模型。在该模型中，骨架曲线为多线型，16个参数被用来指定骨架曲线的8个特征点；再加载和卸载路径为三线型，6个参数分别用于指定正负方向上再加载和卸载的起点。

1-外节点；2-粘结滑移弹簧；3-交界面剪切弹簧；4-内节点；5-刚性内界面；6-刚性外界面图 1 梁-柱节点模型

2 UHTCC新型框架抗震节点基本性能分析

2.1新型框架抗震节点试件设计

试件采用实际框架结构中的边节点组合体单元，试件的配筋按现行规范[7]进行设计，混凝土为C30，柱截面尺寸为400 mm×400 mm，梁截面尺寸为200 mm×400 mm，试件参数变量为节点核心区域UHTCC的浇筑范围，该节点设计遵循“强构件弱核心”的抗震设计理念，试件的尺寸和配筋形式见图2，UHTCC浇筑范围见表1。

图 2 试件的几何尺寸及配筋图

试件编号UHTCC使用范围a/mmb/mm核心区轴压比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使用范围外的为普通混凝土；“-”表示不使用UHTCC，为普通混凝土

2.2UHTCC材料及本构关系参数确定

UHTCC基本组成材料主要是2%的PVA纤维体积掺量、低掺量水泥、大掺量粉煤灰以及优质细砂，随机分布的短纤维增强水泥基复合材料具有耐久性能好、优良的韧性和高的能量吸收能力。UHTCC材料在单轴拉伸情况下的应力-应变曲线见图3，图3所示的路径I双线性模型较准确地反映了试验测定的结果，体现了UHTCC材料的应变硬化基本特征。多数情况下，为了简化计算，建议采用图3给出的路径II来反映其受拉的力学性能。图中，σtc，σtu分别是起裂拉强度和极限抗拉强度；εtc，εtu分别为起裂拉应变和极限拉应变。UHTCC材料参数见表2。

图 3 单轴拉伸作用下UHTCC的应力-应变图

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

UHTCC材料采用Concrete01单元模型，单轴受压时的峰值应力及应变取值为(-40，-0.005)，极限点应力及应变取值为(-8.64,-0.034)[8]。对于受箍筋约束作用的UHTCC框架梁柱节点，取强度增强系数K=1.1，相应的轴心抗压强度和压应变分别为Kfc和Kε0。

经过分析，数值模拟中用到的混凝土材料相关参数见表3。由现行规范[7]得，HRB400级钢筋的屈服强度标准值fyk为400 MPa，极限强度标准值为540 MPa，弹性模量Es为200 GPa。

表3 混凝土材料的相关参数

2.3OpenSEES模拟结果分析

试件的梁端荷载-位移滞回曲线和骨架曲线见图4和图5。

图 4 试件UHTCC-1的滞回曲线

图 5 各试件的骨架曲线

分析上述模拟结果可知：

1)从有限元分析结果可以看出，荷载-位移骨架曲线具有关于原点较好的对称性，UHTCC新型框架抗震节点的极限承载力为30.3 kN，而普通混凝土节点的极限承载力为26.4 kN，相比较，UHTCC新型框架抗震节点极限承载力提高了15%。此外，UHTCC新型框架抗震节点的滞回曲线较为饱满，强度退化现象不明显，意味着构件的破坏形式更趋向于延性破坏，破坏前整个结构有较大的变形，吸收和耗散更多的能量。UHTCC材料具有良好的抗剪性能和高韧性，更适合应用于延性框架结构中的核心抗震关键部位。

2)从图5可以清楚地看出梁端UHTCC浇筑范围对框架节点抗震性能的影响，随着UHTCC的使用范围增大，滞回环循环次数增多，但峰值荷载的变化却不明显，说明在节点核心区外浇筑UHTCC对框架节点抗震性能的提高有限。

3 主要结论

用有限元软件OpenSEES对UHTCC新型框架边节点抗震性能进行了非线性分析，得出了以下结论。

1)通过OpenSEES中的剪切板元件、钢筋粘结-滑移元件和交界面的剪切弹簧元件，以及合适的本构模型关系可以较好的模拟出框架梁柱抗震节点在低周反复荷载作用下的受力特征。

2)因UHTCC材料的桥联作用，在节点核心区出现裂缝后，承载能力仍可以不断增强，试件的抗剪性能和变形能力也显著提高。所以在框架结构的关键部位使用UHTCC材料可以提高节点的抗震性能，同时UHTCC优异的抗剪能力可以替代箍筋的作用，解决了节点核心区域箍筋密集，施工困难等问题。

[1] 梁兴文, 邢朋涛, 王英俊. 局部采用纤维增强混凝土梁柱节点抗震性能的数值分析[J]. 西安建筑科技大学学报(自然科学版), 2014(2):187-193.

[2] 徐世烺，李贺东. 超高韧性水泥基复合材料研究进展及工程应用[J].土木工程学报，2008，41(6):45-60.

[3] 苏骏, 徐世烺. 高轴压比下UHTCC梁柱节点抗震性能试验[J]. 华中科技大学学报(自然科学版), 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] 中华人民共和国住房与城乡建设部. 建筑抗震设计规范(GB50011-2010)[S]. 北京: 中国建筑工业出版社，2010．

[8] 吴健秋. 基于OpenSees的梁-柱节点单元的适用性和定参方法研究[D]. 重庆:重庆大学，2007.

[责任编校：张岩芳]

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

苏 骏(1971-)， 男， 安徽六安人，工学博士，湖北工业大学教授，研究方向为结构工程

1003-4684(2017)05-0013-03

TU375.4

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