开洞混凝土梁柱边节点抗震性能有限元分析_黄子宁.pdf

结构工程71第1 期（总第261 期）开洞混凝土梁柱边节点抗震性能有限元分析黄子宁（广西华信工程设计股份有限公司，广西 南宁 530000）摘 要 为研究开洞RC梁柱节点的抗震性能，考虑了开洞尺寸作为变化参数，采用ABAQUS有限元分析软件模拟了4个开洞RC梁柱节点试件在低周反复荷载下受力破坏全过程，获取了节点混凝土损伤云图、荷载-位移曲线、骨架曲线、特征点参数。研究结果表明，开洞RC梁柱节点主要发生洞口四角混凝土开裂破坏，梁上开洞对节点的承载力和延性削弱明显，随着开洞尺寸的增大，试件的承载力和延性逐渐减小。关键词 梁柱边节点；腹板开洞；抗震性能；有限元分析0 引言随着城市建设的发展，许多城市开始建设地铁、高铁、机动车道共存的地下交通枢纽，然而受地下空间的限制，为满足层高要求，不得不在钢筋混凝土（RC）梁上采取开洞措施来进行管道的铺设。RC梁上开洞对构件的力学性能有一定损伤，蔡健等1、Yang等2自1997年开始对腹板开矩形洞和圆形洞的RC梁进行了抗弯、抗剪试验研究，研究表明，腹板开洞对RC梁抗剪承载力的削弱十分显著，开洞尺寸和开洞位置是影响开洞RC梁力学性能的关键因素，并提出了受剪承载力计算方法。王晓刚等3对开洞RC梁进行了受剪试验，并使用粘贴钢板等方式进行了加固，研究表明，腹板开洞对RC梁抗剪承载力削弱在45%62%之间，使用钢板加固可以大幅提高承载力和延性。目前，国内外对开洞梁的力学性能研究主要集中在单调集中荷载下开洞RC梁的受弯、受剪性能上，尚不全面，对开洞梁在节点中的抗震性能的研究暂时空白。鉴于此，本文在综合已有文献4中的钢筋混凝土边节点试件的试验结果和有限元模拟结果取得良好效果的基础上，通过对4个拓展参数试件的深入分析，探讨开洞尺寸为关键因素对开洞RC梁柱边节点抗震性能的影响规律，旨为实际工程提供设计参考。1 有限元模型建立1.1 试验概况文献4中设计了4根梁柱边节点试件，本文主要研究梁腹板开洞对梁柱节点抗震性能的影响，故挑选使用高强混凝土和普通强度钢筋制作的边节点BJ2作为模拟对象。BJ2试件混凝土强度等级为C55，混凝土立方体抗压强度 fcu=55.7MPa；钢筋强度等级为HRB400，直径为10mm、18mm、25mm钢筋的屈服强度 fy分别为467.08MPa、471.81MPa、507.68MPa，极限强度 fu分别为662.42MPa、623.18MPa、645.82MPa，弹性模量Es分别为218GPa、226GPa、219GPa。拓展试件在BJ2试件的基础上进行设计，以开洞尺寸为变化参数设计4个开洞梁柱节点试件。所有试件详细尺寸见图1和表1。（a）BJ2试件（b）开洞模拟试件图1 试件设计尺寸作者简介：黄子宁（1994），男，本科，助理工程师，主要研究方向为建筑结构设计。结构工程2023 年72表1 拓展试件尺寸试件编号h/mmb/mma/mme/mmBJ2JD-1200300300200JD-2200400300200JD-3200500300200JD-42006003002001.2 材料本构关系采用ABAQUS中的混凝土塑性损伤模型（CDP），混凝土单元采用精度较高的三维八节点六面体C3D8R实体单元，本构关系取用GB 500102010 混凝土结构设计规范5中的单轴受压应力-应变关系曲线。钢筋单元采用T3D2桁架单元进行模拟，钢材本构关系采用双折线理想塑性模型6，即屈服前为理想弹性，屈服后到极限强度前的硬化刚度为钢材弹性模量的0.01。1.3 模型建立钢筋使用“embed”内嵌至混凝土中，便于简化和收敛。模型建立完成图见图2。在柱顶与梁端设置参考点，以便施加荷载与边界条件，并使参考点与柱顶面和梁端加载部位进行“耦合”。根据试验情况，约束柱顶与柱底的3个方向的位移，模拟试验过程中的铰接；梁端进行悬臂加载，采用试验中使用的加载位移跨度进行反复加载。梁与节点部位采用尺寸更小的25mm网格，以提高计算精度和观察混凝土的损伤开裂；柱则采用50mm尺寸的网格提高计算效率。图2 建模完成图1.4 模型验证有限元模拟的骨架曲线与试验骨架曲线对比见图3。由图3可见，有限元模拟的精度较高，试验试件正负向峰值荷载分别为217kN和225kN，模拟的正负向峰值荷载分别为216kN和199kN，平均误差为6.7%。究其产生误差的原因：试验加载过程中存在试验误差；混凝土为一种非线性材料，且模型忽略了钢筋与混凝土的黏结滑移。但整体上看，所建立的有限元模型具有较高的可靠度，模拟的承载力略小于试验结果，具有一定安全富余，可以作为开洞试件的分析基础。图3 模拟结果骨架曲线对比2 参数分析2.1 混凝土损伤云图在ABAQUS中提供拉伸损伤（DAMAGET）来评估混凝土的损伤，能反映混凝土的开裂情况。图4为各变化参数代表试件峰值点时的混凝土受拉损伤云图。由图4可见，未开洞时，试件主要发生节点区梁端破坏，梁端节点处混凝土拉伸损伤严重，损伤向梁跨中部延伸减小；梁上单开洞时，由于开洞处薄弱，洞口四角处出现明显的应力集中，所以梁端塑性铰向开洞处移动，节点区域混凝土受拉损伤较小。（a）BJ2 （b）单开洞试件（JD-1）图4 试件混凝土损伤云图结构工程73第1 期（总第261 期）2.2 骨架曲线图5为各试件骨架曲线对比图。图5 试件骨架曲线由图5可知：（1）各试件的骨架曲线形状相似，曲线大致呈S形，均经历初始的线弹性阶段、接近峰值荷载点的非线性段和峰值荷载点后的曲线下降阶段3个阶段。（2）开洞后，试件的峰值荷载、极限荷载、弹性阶段的斜率均有明显退化。随着开洞尺寸的增大，试件的峰值荷载、极限荷载、弹性阶段的斜率均逐渐减小。2.3 承载力及延性表2中给出各试件正负向峰值荷载均值Pm和正负向延性系数均值-。表2 拓展试件试验结果试件编号加载方向Pm/kNP-m/kN-BJ2正向215.9207.72.702.71负向199.42.72JD-1正向185.2174.42.572.66负向163.72.75JD-2正向156.4150.82.542.61负向145.22.68JD-3正向128.9125.82.522.58负向122.72.64JD-4正向96.696.02.382.47负向95.52.58注：Pm和P-m分别为峰值荷载和正负向峰值荷载均值；和分别为位移延性系数和正负向位移延性系数均值，=u/y，u和y分别为骨架曲线的破坏位移和屈服位移。由表2可知：（1）开洞试件（JD-1）的峰值承载力相较于未开洞试件（BJ2）退化27.4%，延性则退化3.8%，说明梁腹开洞对节点的抗震性能存在显著影响。（2）随着开洞尺寸的增加，试件的峰值荷载与延性逐渐减小，相较于开洞尺寸为hb=200mm300mm的试件（JD-1），JD-2、JD-3、JD-4的峰值承载力和延性分别退化15.6%、38.6%、81.6%和1.9%、3.1%、7.6%，说明开洞尺寸是影响梁柱边节点抗震性能的主要因素。3 结论通过对4个开洞RC梁柱边节点的有限元分析，得到如下结论：（1）梁上开洞对RC开洞梁柱边节点的抗震性能影响显著，承载力和延性均出现了大幅退化。开洞RC梁柱边节点的破坏形态均为洞口四角开裂损伤失效，洞口的存在减缓了节点区的损伤，但增大了梁损伤。（2）随着开洞尺寸增大，承载力和延性均出现了大幅退化，破坏形态基本相似，均为洞口处角部混凝土损伤。参考文献1 蔡健,李静,张学文,等.腹部开设圆孔钢筋混凝土梁的试验研究（）J.华南理工大学学报（自然科学版）,1997（2）:71-75.2 YANG K H,EUN H C,CHUNG H S.The influence of web openings on the structural behavior of reinforced high-strength concrete deep beamsJ.Engineering Structures,2006,28（13）:1825-1834.3 王晓刚,闫田田,王宇,等.带肋钢板加固腹板开大洞口RC梁的受剪承载力试验研究J.建筑结构学报,2021,42（3）:114-123.4 张健新,张标,丁传林.HRB600钢筋钢纤维混凝土梁柱边节点抗震性能试验研究J.土木与环境工程学报（中英文）,2020,42（4）:105-112.5 混凝土结构设计规范：GB 500102010S.北京：中国计划出版社,2010.6 PAGOULATOU M,SHEEHAN T,DAI et al.Finite element analysis on the capacity of circular concrete-filled double-skin steel tubular（CFDST）stub columnsJ.Engineering Structures,2014,72:102-112.