装配式混凝土框架梁柱节点有限元分析

袁志仁，任 旺，牛俊飞，丁家悦，樊建红，牟效勇，吴家正

(1.长春工程学院，长春 130012； 2.吉林省土木工程抗震减灾重点实验室，长春 130012； 3.吉林省寒区住宅建设技术工程研究中心，长春 130012)

0 引言

随着社会经济的快速发展，人们的设计观念越来越新颖，设计的主要任务是首先确保结构安全、可靠。JGJ 1-2014《装配式混凝土结构技术规程》[1]中针对框架顶层边节点的其中一种构造做法是采用柱纵筋向上伸长，梁纵筋锚固在节点区的做法。为验证这种接连做法的钢筋传力性能、节点核心区混凝土破坏形式或箍筋受力形态，以及外伸短柱头能不能保证节点区有效传递负弯矩(图1)，针对采用这种新型构造的装配式顶层节点进行了加载试验，研究了其受力形态、弯曲变形和破坏形式。

图1 柱向上伸长

1 材料的本构关系

材料的本构关系是有限元模拟过程中十分关键的内容，准确的材料本构关系可以精准地模拟出试件的工作过程，还原该试件的破坏形式、受力形态等，最终得到较为准确的极限承载力。

1.1 混凝土本构模型

混凝土是一种非各项同性材料，它的本构关系对试件极限承载能力有着巨大的影响。本次ABAQUS采用Concrete Damaged plasticity塑性损伤本构模型，这个模型可以模拟混凝土和其他塑性材料的一些性能，通过将各项异性材料拉、压异性与损伤相结合，进一步模拟混凝土的塑性，它的屈服函数有着多硬化塑性和非关联性，进一步使得混凝土屈服面的法线方向与塑性流动方向不成比例关系。而且这种模型还可以模拟混凝土在荷载循环作用下的刚度恢复这一显著特征[2]。

对混凝土塑性损伤模型来说，材料的拉裂破坏和压缩破坏是使混凝土失效的两个重要原因。单轴拉伸的力学行为如图2(a)所示，混凝土单向压缩下的应力—应变如图2(b)所示。本文混凝土的名义应力、应变参考GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[3]。

1.2 混凝土塑性损伤计算

通常在ABAQUS中引进混凝土的塑性损伤来定义混凝土的失效过程，当混凝土不发生破坏时，它的损伤因子为0；当混凝土达到完全破坏的时候，它的损伤因子为1[4]。通常我们认为在损伤因子达到95%时，混凝土就已经失去工作能力。

混凝土的塑损伤与等效塑性应变εpl和温度θ具有一定关系，如式(1)：

(1)

(a)混凝土单轴拉伸行为

(b)混凝土单轴压缩行为图2 混凝土单轴作用下的力学行为

(2)

(3)

本文采用比例应变法，其损伤参数计算如式(4)～(7)[5]：

(4)

(5)

(6)

(7)

1.3 钢筋本构模型

在ABAQUS中通过采用典型钢材塑性来模拟，采用Mises屈服面。本文分析采用理想塑性，在屈服后应力不随着塑性应变而变化。钢筋材料模型采用理想塑性双折线模型，钢材应力—应变关系如图3所示[6]。

图3 钢材理想弹塑性模型

2 有限元分析模型的建立

2.1 建立部件

根据梁柱节点，建立柱的截面尺寸为500 mm×500 mm，高度为3 000 mm，其中柱底距离梁底的高度为1 800 mm。柱纵筋为825，箍筋为8@100(3×3)，混凝土强度采用C30。

梁截面尺寸为300 mm×600 mm，跨度为1 800 mm。梁截面上部纵筋为325，下部纵筋为325，箍筋为8@100/200(2)，混凝土强度采用C30。

根据梁柱节点—钢筋混凝土组合试件尺寸建立有限元分析模型，如图4所示。

图4 混凝土及钢筋模型

2.2 定义材料属性

表1为混凝土材料属性，表2为混凝土计算系数，表3为钢材材料属性。

表1 混凝土材料属性

表2 混凝土计算参数

表3 钢材材料属性

2.3 加载制度

将梁、柱的箍筋、纵筋采用内置ember作用嵌入到混凝土实体中来实现钢筋与混凝土之间的相互作用。梁端设置参考点RP与梁的端面定义耦合约束，柱底部通过边界条件ENCASTRE(约束6个自由度，U1=UR1=U2=UR2=U3=UR3=0)，梁端面参考点RP约束水平位移(U1=U2=0)，并在参考点RP上施加竖向荷载。

2.4 单元选择

混凝土采用三维8节点六面体线性减缩积分单元——C3D8R，钢筋采用三维桁架单元T3D2，该单元为2节点线性单元。

3 有限元分析结果

3.1 钢筋有限元模型云图

钢筋有限元分析结果如图5所示。从钢筋云图可以看出，在梁柱节点处的纵筋、箍筋大部分达到屈服应力，说明在梁柱节点中，梁上部纵筋将拉力转移给混凝土和箍筋。箍筋达到屈服应力后，将进一步加剧混凝土核心区的损伤。

节点处柱外侧纵筋未达到屈服应力，说明梁上部钢筋与柱外侧纵筋无搭接长度，不能直接传力。

3.2 混凝土有限元模型损伤云图

从图6混凝土压缩损伤云图中可以看出：混凝土柱在节点区出现受压破坏，其损伤程度超出其他部分的混凝土。混凝土梁在节点下部未产生较为明显的受压破坏情况。

图5 柱、梁柱节点钢筋有限元云图

从图7混凝土拉伸损伤云图中可以看出，节点处混凝土柱和梁上部混凝土损伤程度接近1.0，基本退出工作。

从两种混凝土的损伤云图来看，在梁柱节点处的受拉破坏较之受压破坏更为明显。

3.3 有限元模型荷载—挠度曲线

图8为有限元荷载—位移曲线。从有限元模型荷载—位移曲线可以看出，当位移在0～3 mm时，随着位移的增加，荷载也在不断地增加，此时荷载—位移呈线性关系。当位移在3～22 mm时，荷载继续增大，但增加的速率比0～3 mm时的速率小。当位移达到22 mm时，节点区混凝土受压破坏，退出工作，此时试件达到极限承载力，约为202 kN。

图6 混凝土压缩损伤云图

图7 混凝土拉伸损伤云图

4 结语

1)在梁柱节点处的纵筋、箍筋大部分达到屈服应力，说明在梁柱节点中，梁上部纵筋将拉力转移给了混凝土和箍筋。

图8 有限元荷载—位移曲线

2)节点处柱外侧纵筋未达到屈服应力，说明梁上部钢筋与柱外侧纵筋无搭接长度，不能直接传力。

3)混凝土柱在节点区出现受压破坏，其损伤程度超出其他部分的混凝土。混凝土梁在节点下部未产生较为明显的受压破坏情况。

4)在梁柱节点处的受拉破坏较之受压破坏更为明显。