基于ABAQUS的超高性能混凝土柱抗震性能模拟

2019-04-27 01:40顾佳培邓宗才
科学与技术 2019年21期
关键词:抗震性能有限元分析

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)

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