基于ABAQUS的超高性能混凝土柱抗震性能模拟

顾佳培 邓宗才

摘要：为了探究新型水泥基复合材料-超高性能混凝土（Ultra high performance concrete）的抗震性能，结合3根低周反复荷载作用下UHPC柱的试验，利用有限元软件ABAQUS对UHPC柱进行了有限元建模。模拟所得滞回曲线和试验结果符合较好，证明了本文所建立的有限元模型的正确性，为UHPC柱抗震性能的数值研究提供参考。

关键词：超高性能混凝土柱；抗震性能；低周反复荷载；有限元分析

超高性能混凝土（Ultra high performance concrete）具有超高强度、高韧性和高耐久性的优点，将其应用于建筑结构中可以有效提高结构的抗震性能，在建筑物日趋向大跨度、超高层以及深海发展的时期，UHPC优异的性能使其成为了一种具有很大发展前景的材料。

本文基于3根UHPC柱的低周反复荷载试验，利用有限元软件ABAQUS建立了UHPC柱的模型，介绍了建模的具体过程和参数取值，并将有限元分析结果和试验结果进行了对比，得出两者的吻合性较好。

1.试验介绍

试验UHPC柱均为方形，柱截面尺寸为250mm×250mm，柱高分为375mm、500mm和1000mm三种，共3个试件。混凝土抗压强度为120MPa，采用对称配筋，纵筋直径为16mm，箍筋直径为10mm。具体配筋见图1。试验轴压比为0.2。UHPC柱参数见表1。试验采用力-位移加载方式，试件屈服前采用力控制，分别加载预估屈服荷载的25%、50%、75%、100%，每级荷载循环一次；试件屈服之后采用位移控制，每级位移分别为Δy、2Δy、3Δy……，Δy为试件屈服位移，每级位移下循环2次。当加载承载力下降到最大荷载值的85%时，试验结束。

2.有限元建模

UHPC采用ABAQUS中的损伤塑性模型，参数取值参考李吴煜[1]研究结果，膨胀角取为38°，偏心率取0.1，双轴受压极限强度/单轴受压极限强度的比值取1.14，不变应力比取0.6667，粘性系数取0.005。UHPC应力应变关系采用文献[2-3]所提模型。UHPC的损伤因子采用能量等效法求得。钢筋采用理想弹塑性模型，屈服强度为472MPa。

UHPC单元采用ABAQUS中的C3D8R单元，该单元每个节点有3个自由度，具有塑性变形和蠕变特性，可以形象描述UHPC带裂缝工作的性质；钢筋单元采用T3D2单元，每个节点有3个自由度，只能承受拉伸和压缩荷載，不能承受剪力和弯矩；模型的网格划分采用结构优化划分法，采用全局尺寸0.05划分；采用柱端加载的方式，在模型柱顶端中心处建立参考点RP1，将参考点与柱顶表面耦合在一起，考虑钢筋和UHPC的接触，采用内置区域的方式，将钢筋骨架嵌入UHPC中；柱底面采用固端约束，没有任何的位移和转动。

3.结果分析

模拟完成后提取加载点RP1的反力和位移数据，绘制出柱的滞回曲线。将有限元模拟所得滞回曲线与试验结果进行对比，如图3所示。

由图3可以得出：（1）柱端水平荷载达到峰值之前模拟曲线和试验曲线吻合较好；（2）在峰值荷载之后，尤其是试件达到极限位移之后，模拟曲线和试验曲线有所偏离，试验滞回曲线明显更为饱满，滞回环面积更大。其原因在于有限元建模时并没有对钢纤维单独建模，因此无法考虑到峰值荷载后，在UHPC短柱裂缝处大量分布的钢纤维发挥的耗能作用；（3）随着剪跨比的增大，UHPC柱的滞回环明显更加饱满，滞回性能提高。

4.结论

本文基于超高性能混凝土柱的试验进行了有限元建模，介绍了UHPC柱建模的方法。与试验滞回曲线对比得出较好的吻合性，为UHPC柱抗震性能的有限元模拟提供一定的参考。

参考文献

[1]李吴煜.RPC材料的塑性损伤本构模型参数识别及有限元验证[D].北京：北京交通大学，2009.

[2]吴有明.活性粉末混凝土（RPC）受压应力-应变全曲线研究[D].广州：广州大学，2012.

[3]杨志慧.不同钢纤维掺量活性粉末混拟土的抗拉力学特性研究[D].北京：北京交通大学，2006.

[4]朱伯龙，姚振纲，吕西林.结构抗震试验[M].北京：地震出版社，1989.

作者简介：顾佳培（1993-），男，汉族，浙江宁波，硕士研究生，研究方向为纤维混凝土。

（作者单位：北京工业大学城市与工程防灾减灾省部共建教育部重点实验室）