再生混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)與數(shù)值分析

付佳麗，柳炳康，周點(diǎn)龍（．合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥 230009；2．安徽工程大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽蕪湖 24000）

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再生混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)與數(shù)值分析

付佳麗1，2，柳炳康1，周點(diǎn)龍1
（1．合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥 230009；2．安徽工程大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽蕪湖 241000）

摘要：通過(guò)對(duì)2榀再生混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)．其中，1榀構(gòu)件以粉煤灰等量取代水泥，研究在不同膠凝材料下再生混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)，試驗(yàn)獲得低周反復(fù)荷載下荷載－位移滯回曲線、骨架曲線及剛度退化情況；利用有限元軟件ABAQUS對(duì)2榀再生混凝土梁柱邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬．再生混凝土本構(gòu)關(guān)系以普通混凝土本構(gòu)模型為原型，結(jié)合再生混凝土材性試驗(yàn)進(jìn)行修正，得到的相應(yīng)本構(gòu)關(guān)系及塑性損傷模型，能較好地模擬再生混凝土節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)．將試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明，試件Mises應(yīng)力云圖、極限荷載、骨架曲線、剛度退化曲線模擬值與試驗(yàn)值吻合較好，證明了在ABAQUS中建立的模型能較好地模擬再生混凝土構(gòu)件的力學(xué)行為．

關(guān) 鍵 詞：再生混凝土；框架邊節(jié)點(diǎn)；ABAQUS；塑性損傷模型；數(shù)值模擬

再生混凝土材料作為新近發(fā)展起來(lái)的綠色環(huán)保建材，已引起行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注．它不僅解決了廢棄建筑垃圾對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的污染問(wèn)題，而且緩解了天然骨料開(kāi)采所帶來(lái)的生態(tài)壓力．再生混凝土結(jié)構(gòu)作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已從其材料性質(zhì)到結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行了較為系統(tǒng)研究，并獲得了大量研究成果［1－3］，但國(guó)內(nèi)外關(guān)于再生混凝土節(jié)點(diǎn)的研究相對(duì)較少．肖建莊和朱曉輝［4－5］等對(duì)再生混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗震性能進(jìn)行了研究．結(jié)果表明，再生混凝土框架節(jié)點(diǎn)的破壞過(guò)程與普通混凝土節(jié)點(diǎn)類(lèi)似，其抗剪承載力、延性、耗能均滿(mǎn)足抗震要求；隨著再生粗骨料取代率的加大，再生混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗震性能有降低的趨勢(shì)，表現(xiàn)為抗剪承載力降低、耗能能力下降、延性系數(shù)減?。Z勝偉［6］等對(duì)再生混凝土框架梁柱中節(jié)點(diǎn)的延性及耗能能力進(jìn)行了研究．試驗(yàn)結(jié)果表明，再生混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)的延性與耗能能力與普通混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)相比差別不大，基本一致，兩者破壞的規(guī)律也較為統(tǒng)一．這些研究均是從再生混凝土本身進(jìn)行的，都未涉及再生混凝土的改性研究．利用粉煤灰改性可提高再生混凝土材料的耐久性，因此，為將改性再生混凝土在抗震地區(qū)加以應(yīng)用，對(duì)其抗震性能的研究是十分必要的．

通過(guò)2榀再生粗骨料取代率為100%再生混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究，以粉煤灰等量取代水泥改性，探討改性后再生混凝土框架節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)制及抗震性能．在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件ABAQUS對(duì)再生混凝土邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬．以普通混凝土本構(gòu)模型為原型，考慮再生混凝土材性進(jìn)行修正［7］，得到再生混凝土的本構(gòu)關(guān)系及塑性損傷模型，模擬再生混凝土節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)，且將試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，兩者吻合較好，說(shuō)明利用ABAQUS合理建模能較好地模擬再生混凝土節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的力學(xué)行為．

1 試驗(yàn)概況

1．1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)制作2榀取代率100%的再生混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)，梁、柱截面尺寸及配筋均相同，編號(hào)為BJ－1、BJ－2．其中，試件BJ－2以粉煤灰等量取代水泥，取代率為15%，用來(lái)探討普通再生混凝土與改性再生混凝土抗震性能的差異．試件尺寸及配筋詳圖如圖1所示．

1．2 材性試驗(yàn)

試驗(yàn)所用再生骨料來(lái)自建筑物拆除后的廢棄混凝土，依據(jù)《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ52－2006）進(jìn)行再生骨料材料性能試驗(yàn)，再生混凝土的配合比及實(shí)測(cè)立方體抗壓強(qiáng)度如表1所示．梁、柱縱筋采用HRB400級(jí)熱軋鋼筋，實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度為550N／mm2（16），箍筋采用HPB300級(jí)熱軋鋼筋，實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度為382N／mm2（6）．

表1　再生混凝土配合比及抗壓強(qiáng)度

1．3 加載裝置與測(cè)量?jī)?nèi)容

試驗(yàn)采用擬靜力加載方案，加載裝置示意圖如圖2所示．試驗(yàn)過(guò)程中試件BJ－1、BJ－2的軸壓比始終維持在0．2，在柱頂利用液壓千斤頂施加360kN軸向力，然后利用MTS動(dòng)力伺服加載系統(tǒng)的作動(dòng)器在梁端施加低周反復(fù)荷載．加載采用荷載與位移混合控制［8］，試件屈服前由梁端荷載控制加載，每級(jí)循環(huán)1次；試件屈服后由梁端位移控制加載，位移加載時(shí)在屈服位移基礎(chǔ)上以10mm遞增，每級(jí)循環(huán)3次，每級(jí)加載循環(huán)時(shí)間保持相同時(shí)間間隔，直到試件破壞．加載制度如圖3所示．

圖1　試件尺寸及配筋圖　

圖2　試驗(yàn)加載裝置示意圖

測(cè)量?jī)?nèi)容包括：梁端荷載及相應(yīng)的位移；用來(lái)計(jì)算塑性鉸區(qū)域轉(zhuǎn)角的梁根部上下位移傳感器位移值；用于計(jì)算核心區(qū)剪切應(yīng)變角的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)十字交叉位移傳感器位移值；梁、柱縱筋和箍筋預(yù)埋應(yīng)變片的應(yīng)變值．其中，梁端荷載及位移由MTS加載系統(tǒng)自動(dòng)記錄，其余位移及應(yīng)變值由日產(chǎn)TDS－303數(shù)據(jù)采集儀同步采集．

圖3　試驗(yàn)加載制度

2 試驗(yàn)結(jié)果

2．1 試驗(yàn)過(guò)程

2榀再生混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)在試驗(yàn)過(guò)程中均發(fā)生了節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切破壞．試件BJ－2破壞現(xiàn)象如圖4所示．破壞過(guò)程經(jīng)歷了初裂階段、通裂階段、極限階段和破壞階段，與普通混凝土框架中節(jié)點(diǎn)受力過(guò)程相似．在加載初期，試件均處于彈性工作狀態(tài)，P－Δ曲線呈直線變化狀態(tài)．隨著荷載的持續(xù)增大，BJ－1正向荷載加載到極限荷載的45%左右，反向加載到極限荷載的40%左右時(shí)，梁上端開(kāi)始出現(xiàn)微裂縫，核心區(qū)進(jìn)入初裂階段，卸載后，裂縫可閉合．加載至極限荷載的85%時(shí)，核心區(qū)進(jìn)入通裂階段，梁端最大裂縫達(dá)到0．3mm，此時(shí)核心區(qū)箍筋已達(dá)屈服，梁內(nèi)縱筋亦開(kāi)始屈服，試件進(jìn)入屈服狀態(tài)．

試件屈服后加載改為位移控制，隨著位移的增加，承載能力達(dá)到極限值，此時(shí)梁端裂縫寬度在2．5mm左右，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)裂縫寬度可達(dá)3．1mm左右，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)進(jìn)入極限階段．繼續(xù)增加位移循環(huán)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)表面的混凝土大塊剝落，承載力下降至極限荷載的75%左右，試驗(yàn)結(jié)束．試件BJ－2試驗(yàn)過(guò)程與BJ－1類(lèi)似，以試件BJ－2為例破壞現(xiàn)象如圖4所示．主要的試驗(yàn)參數(shù)如表2所示．

圖4　試件BJ－2破壞現(xiàn)象

表2 試件試驗(yàn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2．2 梁端荷載－位移滯回曲線

試驗(yàn)獲得2榀試件的梁端荷載－位移滯回曲線．加載初期試件的荷載－位移（P－Δ）曲線呈直線循環(huán)，進(jìn)入位移加載階段后，滯回曲線的斜率減小，荷載增速放緩．試件BJ－1和試件BJ－2梁端縱筋尚未完全屈服時(shí)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)已產(chǎn)生損傷，試件的滯回曲線如圖5所示．

2．3 骨架曲線和剛度退化

試件的骨架曲線如圖6所示．由圖6可以看出，在荷載較小的時(shí)候，骨架曲線是一條直線，呈彈性狀態(tài)；構(gòu)件開(kāi)裂后，進(jìn)入彈塑性受力階段，骨架曲線產(chǎn)生拐點(diǎn)．BJ－2的正向荷載峰值略大于BJ－1，說(shuō)明經(jīng)過(guò)粉煤灰改性后在一定程度上可延緩裂縫發(fā)展．

試件的剛度退化曲線如圖7所示．由圖7可以看出，加載初期彈性階段，試件剛度保持不變；進(jìn)入初裂階段，剛度退化速度加快；直至屈服階段，剛度退化曲線下降段變平緩．由于試件縱筋配筋量相同，其剛度退化趨勢(shì)基本一致．

圖5　試件荷載－位移滯回曲線圖

圖6　骨架曲線　

3 再生混凝土試件有限元分析

3．1 再生混凝土本構(gòu)關(guān)系模型

試驗(yàn)再生混凝土本構(gòu)關(guān)系模型采用過(guò)鎮(zhèn)海的無(wú)量綱受壓應(yīng)力－應(yīng)變曲線［9］，該應(yīng)力－應(yīng)變曲線能夠較好擬合混凝土實(shí)際受壓受拉行為；模型中具有參數(shù)a、b，可根據(jù)不同類(lèi)型混凝土進(jìn)行調(diào)整．混凝土單軸受壓無(wú)量綱應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系方程如下：

肖建莊［7］通過(guò)對(duì)再生混凝土材性試驗(yàn)得出：再生混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線總體上同普通混凝土類(lèi)似，可以用式（1）進(jìn)行擬合．對(duì)于不同再生骨料取代率可按式（2）、式（3）確定參數(shù)a、b修正．不同骨料取代率再生混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖8所示．由圖8可以看出，隨著再生骨料取代率的增加，混凝土彈性模量持續(xù)下降，系數(shù)a隨之減小；混凝土表現(xiàn)出更顯著的脆性，系數(shù)b逐步增大．通過(guò)試驗(yàn)［7］統(tǒng)計(jì)回歸出參數(shù)a和b與再生骨料取代率r的關(guān)系式如下：

式中，r為再生骨料取代率，本次試驗(yàn)r＝100%，可得a＝1．08，b＝7．03．則再生混凝土受壓應(yīng)力－應(yīng)變曲線為：

再生混凝土受拉的本構(gòu)關(guān)系上升段曲線采用如下應(yīng)力－應(yīng)變曲線方程［10］：式中，d為該曲線原點(diǎn)處切線斜率，再生骨料取代率為100%時(shí)，d＝1．26，可得：

3．2 再生混凝土塑性損傷模型及參數(shù)

ABAQUS中采用混凝土塑性損傷模型模擬試件在低周反復(fù)荷載作用下再生混凝土的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，以此來(lái)考慮材料屈服后損傷、剛度恢復(fù)、裂縫開(kāi)展與閉合的受力特性．混凝土受壓初始階段，受力性能接近于線性，加載后期趨于彈塑性變形，曲線達(dá)到峰值后迅速下降而后坡度變得平緩．根據(jù)這種趨勢(shì)，ABAQUS定義材料彈塑性時(shí)，將受壓曲線分為理想彈性上升、曲線強(qiáng)化、曲線下降三階段；將受拉曲線分為理想彈性上升和曲線下降兩階段．

（1）混凝土受力參數(shù)．在ABAQUS中建模，混凝土受力參數(shù)取值確定如下：再生混凝土立方強(qiáng)度f(wàn)cu＝30．2Mpa，棱柱體抗壓強(qiáng)度［11］：

由x＝0．323 3，y＝0．4得：

（2）混凝土單軸受壓損傷演化參數(shù)dc．混凝土單軸受壓的應(yīng)力－應(yīng)變曲線可依據(jù)規(guī)范［11］按下列公式確定：

（3）混凝土拉伸損傷演化參數(shù)．混凝土單軸受拉的應(yīng)力－應(yīng)變曲線可按下列公式［11］確定：

3．3 鋼筋本構(gòu)關(guān)系模型

試驗(yàn)所用縱筋為HRB400鋼筋，箍筋為HPB300鋼筋，鋼筋本構(gòu)模型簡(jiǎn)化為具有彈塑性硬化段的二折線模型如圖9所示．鋼筋采用彈性強(qiáng)化模型，即屈服前為完全彈性的，屈服后的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系簡(jiǎn)化為很平緩的斜直線．為加快計(jì)算的收斂速度，將此階段的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系取為σ，表達(dá)式為：

圖8　不同骨料取代率再生混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線　

圖9　鋼筋應(yīng)力－應(yīng)變模型曲線

4 數(shù)值模型與分析

4．1 模型建立

試驗(yàn)?zāi)Ｐ头治鰰r(shí)再生混凝土采用C3D20單元，它是一種20節(jié)點(diǎn)三維六面體二次完全積分單元，這種積分單元不僅可以滿(mǎn)足試驗(yàn)的精度要求，而且求解起來(lái)比較方便，節(jié)約時(shí)間．建模時(shí)主要輸入的數(shù)據(jù)包括混凝土的楊氏模量、混凝土的泊松比以及混凝土的本構(gòu)關(guān)系．鋼筋采用T3D2單元，它是一種2節(jié)點(diǎn)三維桁架單元，建模時(shí)主要輸入鋼筋的彈性摸量、泊松比以及鋼筋的本構(gòu)關(guān)系．再生混凝土及鋼筋骨架分析模型如圖10所示．

圖10　有限元模型圖

4．2 試件Mises應(yīng)力云圖

試件混凝土Mises應(yīng)力云圖如圖11所示．由圖11可以看出，最大應(yīng)力均大于最大壓應(yīng)力，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土被壓碎剝落；試件鋼筋Mises應(yīng)力云圖如圖12所示．由圖12可以看出，鋼筋的最大應(yīng)力均為550Mpa，說(shuō)明部分鋼筋在構(gòu)件破壞時(shí)已經(jīng)屈服．這些都與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合．

4．3 骨架曲線

試件BJ－1和試件BJ－2骨架曲線的有限元模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比如圖13所示．由圖13可以看出，加載初期，模擬曲線與試驗(yàn)曲線吻合度較高，幾乎保持重合．試件模擬曲線峰值比試驗(yàn)曲線小，加載后期，模擬曲線下降較為平緩．試件梁端極限荷載試驗(yàn)值與模擬值如表3所示．由表3可知，兩者之比在0．83～0．93之間．這是由于試件混凝土材料存在離散性，同時(shí)ABAQUS中再生混凝土的本構(gòu)關(guān)系及塑性損傷模型與實(shí)際材料不完全吻合所致．

圖11　試件混凝土Mises應(yīng)力云圖

圖12　試件鋼筋Mises應(yīng)力云圖

圖13　骨架曲線對(duì)比圖

4．4 剛度退化曲線

有限元模擬所得2榀試件剛度退化曲線如圖14所示．由圖14可以看出，兩者的模擬曲線與試驗(yàn)曲線變化趨勢(shì)較為一致，模擬曲線前期下降速率大于試驗(yàn)曲線，后期下降速率小于試驗(yàn)曲線，模擬剛度退化曲線下降速率比較均勻．

圖14　剛度退化曲線對(duì)比圖

表3 試件梁端極限荷載值對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

研究表明，摻加15%粉煤灰取代水泥的改性再生混凝土邊節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)、承載能力與普通的再生混凝土差別不大，其破壞過(guò)程可分為初裂、通裂、極限和破損4個(gè)階段，試件具有良好的受力性能．再生混凝土本構(gòu)關(guān)系以普通混凝土本構(gòu)模型為原型，結(jié)合再生混凝土材性試驗(yàn)進(jìn)行修正，得到的再生混凝土無(wú)量綱受壓與受拉應(yīng)力－應(yīng)變曲線方程及相應(yīng)的塑性損傷模型，能很好地模擬再生混凝土節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)，模擬值和試驗(yàn)值吻合較好．鋼筋本構(gòu)關(guān)系簡(jiǎn)化為具有彈塑性硬化段的二折線模型．在屈服前，鋼筋處于彈性受力階段，屈服后簡(jiǎn)化為平緩的斜直線．鋼筋在混凝土中主要承受拉力及壓力，僅考慮其軸向應(yīng)力，采用桁架單元來(lái)進(jìn)行模擬．試件Mises應(yīng)力云圖、骨架曲線及剛度退化曲線模擬值與試驗(yàn)值變化趨勢(shì)基本一致，極限荷載比值在0．83～0．93之間，證明了ABAQUS軟件能較好地模擬再生混凝土的力學(xué)性能．試件模擬骨架曲線及模擬剛度退化曲線與試驗(yàn)曲線存在一定誤差，這是因?yàn)樵嚰炷敛牧洗嬖陔x散性，同時(shí)ABAQUS中再生混凝土的本構(gòu)關(guān)系及塑性損傷模型與實(shí)際材料不完全吻合所致．由于再生混凝土本構(gòu)關(guān)系無(wú)成熟的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系式，混凝土材料的不均勻性、反復(fù)荷載試驗(yàn)環(huán)境易受干擾等原因，模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在一定的差別，有待今后進(jìn)一步研究解決．

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Experimental and numerical analysis on seismic behavior of exterior beam－column joints in recycled aggregate concrete frame

FU Jia－li1，2，LIU Bing－kang1，ZHOU Dian－long1
（1．School of Civil Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2．College of Civil and Architectural Engineering，Anhui Polytechnic University，Anhui Wuhu 241000）

Abstract：In order to realize the seismic behavior of recycled concrete exterior joints with different replacement ratio of gelled material，an experimental study on two specimens of the recycled concrete exterior joints was conducted under low－cycle loading．The entire test process of all specimens and the failure mode were investigated，and the hysteresis curves，envelope curves and characteristic value，degradation regulation of strength and stiffness were also carefully observed．The nonlinear finite element analysis is made using the ABAQUS finite element package．The constitutive model of the recycled concrete is based on the constitutive model of the conventional concrete，and modified according to the recycled concrete material test．The results of the nonlinear analysis for the recycled concrete exterior joints agree well with the specimens．It can be concluded that under cyclic loading using ABAQUS to simulate the node behavior is feasible．

Key words：recycled concrete；frame exterior joint；ABAQUS；plastic damage model；finite element analysis

作者簡(jiǎn)介：付佳麗（1982－），女，山東平度人，講師，博士研究生．

基金項(xiàng)目：安徽省高等教育提升計(jì)劃省級(jí)自然科學(xué)研究一般基金資助項(xiàng)目（TSKJ2015B05）

收稿日期：2015－11－13

文章編號(hào)：1672－2477（2016）01－0076－09

中圖分類(lèi)號(hào)：TU375

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A