钢筋钢纤维高强混凝土框架边节点抗震性能试验研究和有限元分析.pdf
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1、2 0 1 1 年 第 4 期 (总 第 2 5 8 期 ) Nu mb e r4i n 2 01 1 ( To t a l No 2 5 8) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE0RETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 4 0 0 9 钢筋钢纤维高强混凝土框架边节点抗震性能 试验研究和有限元分析 张军伟 ,王延彦 ( 1 郑州大学 土木T程学院,河南 郑州 4 5 0 0 0 2 ;2 华北水利水 电学院 土木与交通学 院,河南 郑州 4 5 0 0 1 1 )
2、 摘要 : 通过 4个钢筋钢纤维混凝 土框架边节点的低周反复加载试验研究和有限元分析 , 探讨了钢纤维体积率和配箍率对该类型节点抗 震性能的影 响。 结果表明, 随着钢纤维体积率的增大 , 加强 _ 对节 点核心 区混凝土 的约束作用 , 增强了节点核心区抗剪 能力 , 减慢 了节点抗 剪承载力退化速率 , 减缓了节点刚度退化 程度 , 增大 了节点延性 , 提高 了框架节点的耗 能能力 。 关键词 : 钢纤维高强混凝土 ;框架边节点 ;抗震性能 ;试验研究 ;有限元分析 中图分类号: T U5 2 8 0 1 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1
3、1 ) 0 4 0 0 3 3 0 5 E xp er i m en t al i n ve s t i g a t i on a nd f i ni t e e l em e nt an al y si s on s e i sm i c beh a vi or of s t e el f i be r r e i nf o r c ed h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e f r a me e x t e r i o r j o i n t s Z HANG J u n we i , W ANG Ti n g- y a n ( 1 S c h o
4、 o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g , Z h e n g z h o u Un i v e r s i ty, Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 2, C h i n a ; 2 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n dC o mmu n i c a t i o n, No r t hC h i n aU n i v e r s i tyo f Wa t e r R e s o u r c e s a n dE l e c t r i c P o w e r ,
5、 Z h e n g z h o u4 5 0 0 1 1 , C h i n a ) A b s t r a c t : B y e x p e ri me n t a l i n v e s t i g a t in g a n d fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s t h e f o u r s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e f r a me e x t e ri o r j o i n t u n d e r t h
6、e l o w c y c l e l o a d i n g , d i s c u s s e d t h e i n fl u e n c e o f s t e e l fi b e r v o l u me r a t i o a n d s t i r r u p r a t i o o n s e i s mi c c a p a c it y o f t h e j o i n t o f t h i s t y p e T h e r e s u i t s h o ws t h a t , wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e s t
7、 e e l fi b e r v o l u me r a t i o , i t e n h a n c e s t h e r e s t r i c t i o n r o l e t o t h e c o n c r e t e o f t h e c o r e a r e a t h e j o i n t ; i n c r e a s e s t h e s h e a rin g r e s i s t a n c e c a p a c i t y o ft h e c o r e a r e a o ft h e a r e a; s l o ws d o wn t
8、h e s h e a rin g r e s i s t a n c e c a p a c i t y a n d r i g i d i ty d e g e n e r a t i o n d e g r e e ; i n c r e a s e s t h e j o i n t d u c t i l i t y s t r e n g t h and i mp r o v e s t h e e n e r g y d i s s ip a t i o n c a p a c it y K e y wo r d s : s t e e l fi b e r r e i n f
9、o r c e d h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e ; f r a me e x t e r i o r j o i n t s ; s e i s mi c c a p a c i ty ; e x p e r i me n t a l i n V e s t i g a t i o n ; 6 n i t e e l e me n t ana l y s i s 0 引 言 节点区域在框架 结构中不但起 着传 递和分配内力的作用 , 而且还对保 证框架结构的整体 性发挥着 重要 作用。 周内外多次 震害研究表明 , 节点区域是框架结构 中最容
10、易发生破坏 的部分 , 一 旦发生破 坏就难以修 复。 而且 我国抗震 规范规定 节点 区域 要 存进入弹塑性 阶段后仍能够维持荷载的传递。 因此 , 对节点区域 的抗震性 能进行 分析具有重要 的理论意 义和研究价值 。 但是 同 内外缺乏钢筋钢纤 维高强混凝 土框架边节 点的抗震试 验研究 和数值分析 , 无法对其受力机理进行系统的研究分析 。 因此 , 试 验通过 4个钢筋 钢纤维高强 混凝 : t 框 架边 节点试件在 反复低 周荷载作用下 的试验研究和数值分析 , 探 讨了钢纤 维体积率 和 核 心区配箍率对钢 筋钢纤维高 强混凝土框 架边节点抗震 性能 的影响。 1试 验 概 况
11、本试验选取了承重框 架中间层 端部 上 、 下柱和梁 反弯点之 间的平而组合体作为试件模型。 由于受到试验设备容许空间的 制约, 试件选取实际结构尺寸的 1 2缩尺模型 , 按 照 GB 5 o 0 1 0 一 收稿 日期 :2 0 1 0 - l 1 2 8 基金项 目:国家 自然科学基金 ( 5 0 6 7 8 1 5 9) 2 0 0 2 ( 钢筋混凝土结构设计规范 设计的试件尺寸和配筋如图 1 所示 , 其他试 件根据参数不 同稍作变化。 根据试验目的, 本次框架节点抗震试验考虑了钢纤维体积率和 核心区配箍率 2 个主要试验参数的影响, 具体参数见表 1 所示。 钢 纤维体积率分别为
12、0 , 0 5 , 1 0 和 1 5 , 配箍率分别为0和 0 6 。 本次试验所用钢纤维系钢锭铣削型纤维( A M1 0 4 3 2 _ _ 16 0 0 ) , 长径 比为 3 5 - 4 0 , 等效直径为 0 9 4 mm, 抗拉强度 7 0 0 MP a 。 所用水 泥为 4 2 5级硅酸盐水泥 , 石子最大 粒径 为 2 0 i n i n , 中粗砂 细度 模数为 2 9 1 , 骨料级配良好。 混凝土强度为C 6 0 , 减水剂为 J K H 1 型粉状高效减水 II ( F D N) , 减水率为 1 8 2 5 。 每个试件在制作 时分别预留了混凝土和钢纤维混凝 土材性试
13、块各 l 2个 , 以便 在 试验过程 当中及时测试试件的立方体抗压强度 、 轴心抗压强度 、 劈拉强度 、 弹性模量和泊松 比。 本试验加 载装置采用 郑州大 学新型建材 与结构研 究 中心 实验室多通道电液伺服动态疲劳试验系统 。 由试验机 电液伺 服 作动器控制梁端荷载 , 柱端采用 同定在承力架上 的 2 0 0 0 k N油 压千斤顶施加轴 向荷载。 该加载方案 比较简便 , 柱端一直保持在 垂 直状态 , 可 以在梁 自由端施 加反 复荷 载( 或位移 ) , 不再考虑 柱端位移产生的 P 一 8 效应对框架节点受力性能的影响。 3 3 学兔兔 w w w .x u e t u t
14、 u .c o m 击8 1 0 0 8 1 0 0 4 2 2( b 8 2 0 0 广一广一厂一 臣 1 l 1 上 : 5 8 = f = 出 8 1 0 0 图 1 节点试件的尺寸和配筋 图 表 1 试件主要参数 注 : h为梁截 面高度 , h = 2 5 0 mm; 所有构件柱端钢纤维掺加范 围均为 5 0mm 。 本试验采用低周反复加载方案, 如图2所示。 首先在柱顶用 油压千斤顶对试件施加轴向荷载达到预定轴压比值, 在整个试 验过程 中要确保梁端作用的电液伺服作动器处于自由伸缩状 态 , 以免在梁端产生附加内力。 此后的整个试验过程中柱端轴 向荷载保持不变 , 由梁端的电液伺服
15、作动器施加低周反复荷载 ( 或位移) 。 前两个循环采用控制作用力加载, 其中第一循环加载 至试件屈服荷载计算值的 7 5 , 用来模拟正常使用阶段的受力 状况 。 由于研究 的重点在于试件的塑性变形阶段 , 故屈服前 的荷 载循环不必过多, 第二循环直接加载至试件屈服状态。 之后采用 控制位移加载法, 取梁端屈服时位移的倍数来逐级加荷, 在每 一 级位移值情况下循环 2次, 直至破坏。 即第 n次循环试件的极 搽 垛 划 34 八 l J 循环 次数 V 1 V 1U 荷 载 位移 控 制 控制 图 2 加载方案 大荷载值已逐渐低于最高荷载值的 8 5 左右, 此时认为试件的 承载能力下降过
16、低, 强度已不能满足要求, 视为破坏。 2 非线性有限元分析模型 2 1 材料的本构关系模型 高强混凝土受拉 应力一 应变关 系采 用上升段为直线 、 下降 段为指数形式 的表 达式 。 开裂前混凝土 的弹性模 量与受压 时的 初始弹性模量 相同 ; 开裂后 的混凝土按 非脆性材料考虑 , 即裂 缝面上的混凝土抗拉强度并不立即下降到零, 而是随着裂缝的 加宽而逐渐下降。 高强混凝土轴心受压应力一 应变曲线采用我 国现行 G B5 0 0 1 0 - - 2 0 0 2 混凝土结构设计规范 建议的表达式, 即: 当 1 时 : , , 。 + ( 3 2 o r ) + ( 0 一 2 ) (
17、1 ) 当 x l 时 : O t ( 2 ) d( 一 1 ) 式中: = s 居。 ; 。 、a 广混凝土单轴受压应力一 应变曲线上升段和下降 段的参数值 ; 一 混凝土轴心抗压强度 , MP a 。 由试验测得 , s 。 为与 相应的混凝土峰值压应变。对于高 强混凝土 , 采用文献 2 】 的建议参数计算公式 : 2 4 - 0 01 ( 3) a d = 0 1 3 2 0 一 0 9 0 5 ( 4 ) s = ( 7 0 0 + 1 7 2 、 7 ) x l 0 ( 5 ) 式中 高强混凝 土立方体抗压强度 , MP a 。 钢筋的几何尺寸、 物理性质根据试验结果取值。 试验表
18、明, 纵 筋的弹性模量 E = 2 0 x l 0 MP a , 箍筋的弹性模量 E = 2 1 x l 0 I V I P a , 泊松比均为 = 0 _ 3 ; 屈服阶段的钢筋应力变化不大, 但应变急剧 增加 , 应力一 应变 曲线视为斜率为 0 0 1 E的直线 。 由于钢筋混凝 土结构形成塑性 铰之后 , 其塑性区段混凝 土的极 限变形很少超 过 0 0 0 6 , 所以钢筋受拉变形进入强化 阶段不会很大 , 因此 强化 阶段简化为斜率为E 的直线, 取 , _ 0 0 1 。 数值分析时, 取切向 斜率 E T = 0 0 1 E 。 钢纤维作为金属材料 , 同钢筋一样采用理想的弹
19、塑性应力一 应变关系 。 因为钢纤维混凝 土的破坏主要是由于钢纤 维从混凝土中拔出, 而不是钢纤维被拉断 , 因此取钢纤维拔出 时的拉应力作为钢纤维的抗拉强度, 本文分析时取 2 5 0 MP a 。 2 2 混凝土破坏准则及裂缝处理 ( 1 ) 混凝 土破坏准则。混凝土破坏准则采用 的是 Wi l l i a m Wa r n k e五参数模型, 其表达式为: F f 0 一 s 0 ( 6 ) 式 中 : 一主应力 1 、 、 3 的函数 ; s 主应力 、 : 、 与 f o 、 五个参数定义的破 坏面 ; 一 混凝土的单轴抗拉强度; 混凝土的轴心抗压强度; r d 一混凝土的等压双轴抗
20、压强度 ; 混凝土的静水压力下双轴抗压强度; 静水压力下多轴抗压强度。 当静水压力较小时 , 失效面可以仅仅通过两个参数 和 来 确定 , 其他 3个参数取为 1 = 1 4 5 0 、 = 1 7 2 5 f 0 。 口 口 4 , 2 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 混凝土压碎选项开关 的选择 , 一般视分析 的具体情况而定。 不考虑混凝土压碎选项, 难以模拟混凝土的破坏过程 , 而正常 的破坏 面又会造成混 凝土 的过早 压碎失效 。 因此 , 本 文充分考 虑了钢纤 维和箍筋对混凝土 的约束效应 , 选用 扩大 的压碎 面 ( 破坏准则 的轴心抗压强
21、度参数取 1 2 f 2 f ) 得出 的分析结果 与 试验结果较吻合。 ( 2 ) 裂缝处理 。 分析时采用弥散式裂缝模型处理框架节点开 裂过程 。 当裂缝产生后 , 后继荷载 的作用会在裂缝表面产生滑动 或剪切 , 程序引入裂缝 张开时的裂面剪力传 递系数 卢 和闭合时 的裂面剪力传递 系数 来模 拟开裂引起 的混凝 土抗剪 能力 的 损失 。 P t 对裂缝出现以后的计 算结果影响较大 , 需要合适选取 , 本文在分析时选取 【= 0 3 。 对单调加荷载的受力构件的结果影 响甚微 , 一般取 0 9 1 0 , 本研究取 卢 c = 0 9 。 2 3 单元 选择 和 荷载施 加 混凝
22、土采用 S o l i d 6 5 单元 , 钢筋采用 L i n k 8 单元 , 而钢纤维 由 于数量众多且为乱向分布, 不可能准确模拟每一根钢纤维的作用, 故将钢纤维等效为微钢筋 , 按 钢纤 维体 积率 均匀分布在混凝土 s o l i d 6 5 单元中, 与混凝土组成整体式模 型, 即钢纤维沿坐标轴三 向分布 , # e t - 方向按单元边长比例分配体积率 , 并考虑钢纤维分布 和取向有效系数的影响。 此外 , 由于以钢纤维拔 出时的拉应力作为 钢纤维的抗拉强度 , 故不冉考虑钢纤维和混凝土之 间的黏结滑移。 钢纤维混凝土和钢筋采用分离式模型建模 , 两者之间的黏结滑 移采用 C
23、 o mb i n 3 9 单元来模拟, 黏结一 滑移本构关系采用文献 f 4 给 出的模式规范C E B F I P MC 9 0 建议的4 线段式模型。 对节点进行建模分析时, 单元网格划分的尺寸和形状都会 影响模拟分析结果。 对于混凝土 , 较合适的单元尺寸是 5 c m左右 。 由于建模时要考虑梁柱的保护层厚度 , 故本 文选 取的单元尺寸 除 了 5 0 c m, 还有 3 5 、 4 0 c m等 。 单 元划分如 图 3所示 。 梁柱节 点模型 的边界约束条件与试验一致 , 柱 上下端部两侧面施加 x 向平动位移约束, 柱底部施加x、 Y、 z二个方向的平动位移约束, 柱顶部施加
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