带施工缝的钢筋混凝土框架柱抗震性能的有限元分析.doc

带施工缝的钢筋混凝土框架柱抗震性能的有限元分析摘要：为了研究带施工缝的钢筋混凝土框架柱的抗震性能,在进行试验研究后，利用ANSYS软件建立框架柱模型，并进行低周反复荷载数值分析，对框架柱模型的滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能能力等进行对比。研究表明：在中低轴压比下，带缝柱的抗震性能低于整浇柱，工况1柱的抗震性能高于工况2柱，而在高轴压比下，带缝柱的抗震性能不低于整浇柱。关键词：ANSYS，钢筋混凝土框架柱，施工缝，低周反复荷载，轴压比，抗震性能Finite element analysis on seismic behavior of RCframe columns with construction jointAbstract: In order to study the overall seismic performance of RC frame columns with construction joint, the models of RC frame columns has established by the ANSYS, after the experiment research. Comparing the hysteresis curve, the skeleton curve and the ductility and energy dissipation of the models with each others, the study shows that: under low axial compression ratio, the seismic performance of columns with construction joint are lower than the whole columns, the seismic performance of working condition 1 columns are higher than working condition 2 columns, and under the high axial compression ratio, the seismic performance of columns with construction joint are not less than the whole columns.Keyword: ANSYS, RC frame columns, construction joint, low-cycle repeated load, axial compress ratios, the seismic performance引言由于施工组织和施工工艺等方面的原因，钢筋混凝土结构会在先后浇筑的混凝土接槎界面处形成施工缝，试验表明其抗拉和抗剪强度均远低于整浇混凝土1-2。由于施工缝留设的位置一般在柱底部或梁柱交界面，属于结构中受力较大且复杂的部位，因此施工缝引起的问题应得到足够重视。目前国内外对于带施工缝的框架柱抗震性能研究比较少3-7。本文基于试验8采用ANSYS软件模拟不同轴压比下整浇柱和规范留置施工缝（工况1）柱，施工缝经过简单处理（工况2）的柱的低周反复实验，力求细致研究轴压比对整浇柱和工况1柱、工况2柱抗震性能的影响。一、试验概况本实验共制作9根试件，分为3组，每组1根整浇试件，1根按规范留置施工缝（工况1）的试件，1根施工缝经过简单处理（工况2）的试件。三组构件分别在0.23，0.34，0.46的试验轴压比（分别对应0.4，0.6，0.8的设计轴压比）进行低周反复试验。1.试验材料（1）混凝土材料：混凝土设计强度等级C30，水泥使用冀东水泥有限公司生产的32.5普通硅酸盐水泥，细骨料为中砂，粗骨料为粒径5-25mm的碎石。（2）钢筋：各试验梁纵筋均采用直径18mm一级钢筋,测得其屈服强度为275 N/mm2，箍筋为直径6mm一级钢筋，测得其屈服强度为324 N/mm2，弹性模量为2.1106 N/mm2。2.试验构件构件制作完成后在标准条件下养护，试验柱编号参见表1，配筋及加载点布置见图1。表1 试件编号Tab.1 Experimental numbers试验轴压比整浇工况1工况20.23Z1Z2Z30.34Z4Z5Z60.46Z7Z8Z9 图1 试验柱配筋、加载点布置图Fig.1 Experimental columns reinforcement, loading joint layout 共浇筑了9根试件，其中3根整浇试件作为对比试件，其他6根试件分两种方法留设施工缝方法1是按照规范要求处理：去除浮浆和松动石子，清洗干净，充分湿润，铺一层10mm厚水泥砂浆，记为工况1；方法2是去除浮浆和松动石子，清洗干净，充分湿润，直接浇注上部混凝土，记为工况2。施工缝设置在距梁底和梁顶30mm处。3.实验结果 轴压比为0.23对应的滞回曲线 轴压比为0.34对应的滞回曲线 轴压比为0.46对应的滞回曲线图2 框架柱滞回曲线Fig.2 Skeleton curves of frame columns从图2可以看出，滞回曲线在屈服前都呈线性，刚度退化不明显，残余变形很小。随着反复荷载作用在试件上，试件逐渐屈服，试件的位移-荷载曲线逐渐表现出非线性，刚度退化和残余变形变大，9根试件的滞回曲线有了不同。在中低轴压比下，工况1试件的滞回曲线好于工况2试件，耗能能力和塑性变形能力强，和整浇试件的抗震性能相差不大；在高轴压比下，整浇试件、工况1试件和工况2试件的滞回曲线相差不大，耗能能力和塑性变形能力增强。二、卧位试验有限元模型的建立1.模型单元的选择ANSYS建模时，选用钢筋混凝土分离式建模，混凝土采用Solid65 单元，钢筋采用Link8 单元，模拟施工缝选用combin39三向组合单元，刚性垫块采用Solid45单元。2.模型单元的本构关系混凝土本构关系选用多线性等向强化模型。钢筋的应力-应变关系采用二折线理想弹塑性应力应变关系。本模型中采用弹簧组合来模拟施工缝，一个弹簧沿柱子轴向变形，提供轴向约束，另两个弹簧沿施工缝平面变形，提供切向约束。工况1、2的框架柱弹簧单元的本构关系如图3所示。 框架柱水平方向的位移-荷载曲线 框架柱竖向的位移-荷载曲线图3 框架柱位移-荷载曲线Fig.3 The displacement of the frame column load curve3.模型验证（1）滞回曲线比较。所得滞回曲线如图4所示，有限元分析所得滞回曲线与试验所得滞回曲线形状较为相似，由于有限元分析不考虑钢筋与混凝土之间的滑移，故有限元分析的滞回曲线较为饱满，且滞回环较多，极限承载力较大。但总体看来，有限元模型滞回曲线与试验值吻合较好。 Z1滞回曲线对比 Z2滞回曲线对比 Z3滞回曲线对比 Z4滞回曲线对比 Z5滞回曲线对比 Z6滞回曲线对比 Z7滞回曲线对比 Z8滞回曲线对比 Z9滞回曲线对比图4 有限元计算滞回曲线与试验滞回曲线对比Fig.4 The contrast on hysteresis curves of finite element calculation and the experimental hysteresis curves（2）骨架曲线比较。试验值与理论计算值的骨架曲线对比如图5所示，可以看出，有限元计算荷载-位移曲线与试验骨架曲线都经历了弹性、屈服和极限破坏三个阶段。当荷载较小时，有限元计算值与试验值符合较好，但有限元计算的屈服荷载略大于试验值，框架柱达到最大承载力时，有限元计算的极限荷载值和位移值与试验值接近。 Z1滞回曲线对比 Z2滞回曲线对比 Z3滞回曲线对比 Z4滞回曲线对比 Z5滞回曲线对比 Z6滞回曲线对比 Z7滞回曲线对比 Z8滞回曲线对比 Z9滞回曲线对比图5 有限元计算骨架曲线与试验骨架曲线对比Fig.5 The contrast on skeleton curve of finite element calculation and the experimental skeleton curves由此可知：有限元理论值与试验值吻合较好，说明有限元模型较为符合实际。三、框架柱有限元模型的建立 为了更深入研究实际框架结构中整浇柱和工况1柱与工况2柱在不同轴压比下的抗震性能，取混凝土的本构关系和钢筋的本构关系与卧位试验的有限元模型一致，建立框架柱有限元模型，分别在水平两个方向加载，进行模拟。框架柱模型划分网格后如图6、7所示，模型框架柱编号见表2。 图6 混凝土单元模型 图7 钢筋单元模型Fig .6 Concrete element model Fig.7 Steel bar element model表2 框架柱模型编号Tab.2 Frame columns model numbers实验轴压比设计轴压比整浇工况1工况20.230.4ZJ1DF1DFU10.290.5ZJ2DF2DFU20.340.6ZJ3DF3DFU30.40.7ZJ4DF4DFU40.460.8ZJ5DF5DFU50.520.9ZJ6DF6DFU6四、有限元计算结果分析1.滞回曲线和骨架曲线分析 整浇柱模型与工况1柱和工况2柱模型的滞回曲线对比如图8所示，可以看出滞回曲线在钢筋屈服前，模型处于弹性阶段，荷载-位移曲线基本成直线，滞回环面积较小。钢筋屈服后，随着反复荷载位移幅值的增大，滞回环面积增大。随着轴压比的增大，带缝柱的滞回曲线的面积与整浇柱的面积相差越来越小，在中低轴压比时，工况1柱的滞回曲线好于工况2柱，和整浇柱的抗震性能相差不大，轴压比为0.8时，工况1柱和工况2柱滞回曲线的面积和整浇柱的面积相差不大，轴压比为0.9时，工况1柱和工况2柱滞回曲线的面积略超过整浇柱的面积。轴压比为0.23对应的滞回曲线 轴压比为0.29对应的滞回曲线 轴压比为0.34对应的滞回曲线轴压比为0.4对应的滞回曲线 轴压比为0.46对应的滞回曲线 轴压比为0.52对应的滞回曲线图8 框架柱的滞回曲线对比Fig.8 Hysteresis curves contrast of frame columns轴压比为0.23对应的骨架曲线 轴压比为0.29对应的骨架曲线 轴压比为0.34对应的骨架曲线轴压比为0.4对应的骨架曲线 轴压比为0.46对应的骨架曲线 轴压比为0.52对应的骨架曲线图9 框架柱的骨架曲线对比Fig.9 Skeleton curves contrast of frame columns整浇柱模型与工况1柱和工况2柱模型的骨架曲线对比如图9所示，在同样的荷载等级下，整浇柱的变形要小于工况1柱和工况2柱的变形。随着轴压比的提高，模型所能达到的极限位移越来越小。在采用中低轴压比时，整浇柱和工况1柱极限荷载对应的极限位移大于工况2柱极限荷载对应的极限位移，整浇柱和工况1柱的最大承载力大于工况2柱。当轴压比为0.8时，工况1柱的极限位移超过整浇柱和工况2柱。当轴压比为0.9时，整浇柱，工况1柱和工况2柱的极限荷载接近。2.延性分析在抗震设计中要求结构具备足够的延性，轴压比与位移延性关系曲线如图10。图10 轴压比与位移延性关系曲线Fig.10 Axial compression ratio and displacement ductility relation curves从图10可以看出：在不同轴压比下，整浇柱延性变化较大，坡度较陡，而工况2柱的延性变化相对较小，坡度较缓，工况1柱在轴压比0.4-0.7之间延性变化较大，随着轴压比的增大，坡度变缓。在中、低轴压比下，有施工缝柱的延性明显小于整浇柱，其中工况1柱的延性是整浇柱的80%左右，而工况2柱的延性要好于工况1柱，随着轴压比的逐渐增加,这种差距越来越小，到轴压比为0.9时，工况1柱的延性已经高出整浇柱约5%，工况1柱和工况2柱的延性相差不大。3.耗能能力分析功比指数是一种用来表示框架结构耗能能力大小的指标。该指标表达了框架结构在加载过程中塑性铰区域可吸收能量的大小。 轴压比为0.23对应的功比指数 轴压比为0.29对应的功比指数 轴压比为0.34对应的功比指数轴压比为0.23对应的功比指数 轴压比为0.29对应的功比指数 轴压比为0.34对应的功比指数图11 框架柱的功比系数对比Fig.11 The contrast of coefficient of frame columns work ratio由图11可以看出工况1柱和工况2柱模型的功比指数在时，与整浇柱模型功比指数相差不大；而从2y以后至破坏，工况1柱和工况2柱的功比指数与整浇柱的功比指数出现差异。在中低轴压比时，整浇柱的功比指数大于工况1柱与工况2柱，说明整浇柱模型具有较强的耗能能力，工况1柱的功比指数大于工况2柱的功比指数，说明工况1柱的耗能能力大于工况2柱的耗能能力；当轴压比为0.8，0.9时，整浇柱与工况1柱和工况2柱的功比系数相差不大，说明高轴压比时，施工缝的存在对框架柱的耗能能力影响不大。 五、结论1.在中低轴压比下，带缝柱的承载力和延性低于整浇柱，工况1柱的承载力和位移延性高于工况2柱。在高轴压比下，无论是承载力、延性，有施工缝柱都不弱于整浇柱。2.在中低轴压比时，整浇柱的耗能能力高于带缝柱，施工缝的存在对框架柱的耗能能力不利，工况1柱的耗能能力高于工况2柱，经过砂浆处理的施工缝柱的耗能能力高于不经处理的施工缝柱。3.在高轴压比时，带缝柱的耗能能力与整浇柱的耗能能力相差不大，甚至略高于整浇柱，施工缝的存在对框架柱的耗能能力相对有利。参考文献：1 Waters TA study of the tensile strength of concrete across construction 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