后浇高韧性水泥基复合材料预制混凝土节点有限元分析

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预制装配式混凝土结构与现浇混凝土结构相比,具有施工周期短、产品质量高、能源损耗低、环境污染小等优点,是实现建筑产业可持续发展的必然选择;由于预制混凝土结构是将预制构件进行现场拼接,连接的可靠性成为控制整个结构体系抗震性能的关键因素,如何能保障预制构件的良好连接从而使结构具有较好的整体性,是目前有待解决的一个难题。1992年,美国密西根大学Victor Li和麻省理工大学Christopher Leung首次提出了高韧性水泥基复合材料,即engineered cementitious composites(简称为ECC…),在此之后,美国、日本等国家对该材料的性能和力学原理进行了大量研究,结果表明,ECC材料不仅具有超高的韧性,而且有较强的能量吸收能力,其极限拉应变值大约为普通混凝土材料的100—300倍嵋。,若将其应用在预制混凝土结构中,则可能会有效地改善结构的性能。
本文以文献[3]中的试验为基础,采用ABAQUS有限元软件并考虑了材料的非线性,对后浇高韧性工程水泥基复合材料ECC的新型预制混凝土节点进行了数值模拟,节点形式如图1所示,在柱节点位置预埋方钢管,并从其侧边伸出钢板,与预制梁端预埋钢板通过螺栓连接,最后浇筑ECC而成。将模拟结果与试验结果进行对比验证,在此基础上,分析了后浇普通高强混凝土节点的性能,为该新型预制混凝土框架节点的设计和工程应用奠定了基础。
1试件概况
本文以文献[3]为基础,选取其中后浇长度为500mm的外部连接节点试件PC.OH.50作为模拟对象,试件取自某座框架结构底层中节点,按照约1:2的缩尺比例进行设计,尺寸以及配筋如图1所示,试件的材料参数如表1所示。

2有限元模型建立
2.1材料本构关系
2.1.1 混凝土本构关系
ABAQUS中提供了3种混凝土模型,即脆性开裂模型、弥散开裂模型以及塑性损伤模型。脆性开裂模型仅考虑了混凝土的受拉非线性,没有考虑受压非线性,因而仅适用于素混凝土结构或少筋混凝土结构的模拟;弥散开裂模型则是将实际构件中离散的混凝土裂缝均匀化,并对混凝土受拉应力.应变曲线软化段进行修正,以此来模拟混凝土开裂后的行为;塑性损伤模型考虑了材料拉、压性能之间的差异性,通过拉、压等效塑性应变来控制屈服面的演化,并引入损伤系数,从而对混凝土的弹性刚度矩阵进行折减,因此本文选用塑性损伤模型来模拟混凝土在循环往复荷载作用下的性能。
对于柱中方钢管内的核心混凝土,本文采用韩林海”。提出的高强混凝土单轴受压应力.应变曲线来描述管内约束混凝土的塑性性能,其约束性主要体现在约束特征系数f上;钢管外的混凝土,由于试验采用的箍筋强度较高,且间距较小,需考虑箍筋的约束作用,因而选用Mander模型¨1来模拟钢管外混凝土的受压性能;混凝土的受拉本构模型则是采用《混凝土结构设计规范》GB50010--2010。61给出的应力应变关系。
2.1.2钢筋本构关系
ABAQUS中没有给出专门用来模拟钢筋在循环加载条件下性能的本构模型,为了更好地模拟出节点的受力行为,本文参考了由清华大学基于ABAQUS开发出的用于模拟材料单轴滞回行为的本构模型集合Pq.fiber[7],并利用其中的USteel02作为本文中钢筋的本构关系模型。
USteel02是在clough提出的最大点指向型双线性模型基础上进行了修改,考虑了循环加载引起钢筋强度的退化,能够更好地模拟出钢筋的受力性能。
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