摘要
装配工艺的要求和连接接缝的引用使装配式混凝土结构的数值模拟分析面临新的挑战,计算效率与模拟精度之间的矛盾变得更加突出。基于通用有限元软件ABAQUS,采用多尺度建模,模拟分析了装配整体式混凝土框架结构的抗震性能。首先,基于装配整体式混凝土梁柱子结构的试验数据,验证了多尺度单元界面连接方法的正确性。然后,对装配整体式混凝土框架结构的多尺度模型进行了静力推覆分析和动力弹塑性时程分析,并与现浇混凝土框架结构的地震响应和损伤情况进行比较。结果表明,多尺度建模能有效提高计算精度并降低计算成本,很好地模拟装配整体式混凝土框架结构的破坏特征和整体结构的抗震性能;与现浇结构相比,装配整体式框架结构在单向静力推覆作用下抗侧刚度更小、延性更好,在7度罕遇地震作用下抗震性能相近,顶层最大位移增大了3.8%;多尺度建模方法可用于装配式混凝土结构分析。
装配式混凝土结构由于具有产品质量好、施工效率高、能源消耗小、耗费人工少等方面的优点,成为我国在新的工业时代重点发展的主要结构体系之
目前,对装配式混凝土结构的试验研究集中在构件层面,如节点、单独的梁柱构件
实体单元能精确、直观地反映结构失效的微观破坏过程,但建模过程复杂,计算成本较大,难以用于复杂结构的分析;杆系单元使用方便,运算速度快,但只能得到结构的宏观反应,不能直观反映结构关键区域的受力状态。多尺度建模方法是在模型的关键区域采用精细模型,在非关键区域设置宏观模型,通过在界面处耦合两部分来模拟受力复杂的构件或结
基于多尺度模型,本研究从装配整体式混凝土梁柱子结构算例出发,借助ABAQUS有限元软件,验证了模型的有效性和准确性,进而对装配整体式框架结构进行抗震分析,并与现浇框架结构进行对比。通过求2种结构在静力推覆作用和动力时程作用下的地震反应和损伤情况,量化了地震作用对装配整体式框架结构和现浇框架结构的影响。
不同尺度单元界面的有效连接是结构整体协同工作的关键。常用的连接类
。 | (1) |
式中:u'Ai、v'Ai和w'Ai分别为节点Ai沿其局部坐标系X'、Y'和Z'坐标轴方向的位移。梁单元节点B的位移为
。 | (2) |
式中:θ'Bx、θ'By和θ'Bz分别为节点B沿其局部坐标系X'、Y'和Z'坐标轴方向的转角。

图1 实体单元和梁单元界面节点关系
Fig. 1 Interface node relationship between solid element and beam element
可见,实体单元和梁单元在自由度上存在差异,梁单元节点B除了3个平动自由度外还存在3个方向的转动自由度。ABAQUS软件中提供了一点控制多点的多点约束(MPC)方式,选择其中的梁单元类型约束,可以自动生成一个节点与多个节点之间的刚性梁,将第一个节点的位移和旋转约束作为其余多个节点的位移和旋转,同时耦合接触节点的自由度,从而实现不同尺度单元之间的变形协调,并确保轴力、弯矩和扭矩的正确传
。 | (3) |
式中,Z'Ai(B)为B在Ai点局部坐标系下的Z'值。截面的扭转变形满足以下n个方程:
。 | (4) |
式中,Y'Ai(B)为B在Ai点局部坐标系下的Y'值。
为验证装配式框架结构建模方法以及不同尺度单元连接方法的正确性,基于装配式梁柱子结构静力试验数

图2 试件PC-0-B尺寸及配筋(单位: mm)
Fig. 2 Size and reinforcement of PC-0-B specimen(unit: mm)
材料 | Es/GPa | fy/MPa | fu/MPa | εu | fcu,m/MPa |
---|---|---|---|---|---|
A8 | 210 | 390 | 561 | 0.083 | |
C18 | 200 | 503 | 622 | 0.059 | |
C20 | 200 | 482 | 625 | 0.070 | |
预制梁 | 32 | 37.4 | |||
现浇梁 | 32 | 34.2 |
注: Es为弹性模量,fy为钢筋屈服强度,fu为钢筋极限抗拉强度,εu为钢筋极限应变,fcu,m为混凝土抗压强度平均值。

图3 试验加载装置
Fig. 3 Test setup
基于第1节的界面连接原理,在梁柱子结构破坏的关键节点区域用实体单元模拟,非关键区域的梁柱部分用梁单元模拟,通过MPC梁单元类型约束在连接界面处将梁单元的单一节点与实体单元的所有节点进行多点耦合。混凝土采用线性缩减积分单元C3D8R模拟,材料本构采用混凝土CDP模型,本构方程与损伤因子的计算采用《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010
采用位移加载的方式对实体单元模型(entity unit model,EUM)和多尺度模型(multi-scale model,MSM)进行计算。文献[

图4 有限元模型
Fig. 4 Finite element models

图5 试件PC-0-B数值模拟与试验曲线对比
Fig. 5 Comparison of numerical simulation and experimental curves of PC-0-B specimen
类别 | Pm/kN | 误差/% | n | t/min |
---|---|---|---|---|
MSM-1 | 147.0 | 2.8 | 4 089 | 57 |
MSM-2 | 146.4 | 2.4 | 4 720 | 74 |
MSM-3 | 145.1 | 1.5 | 5 133 | 87 |
EUM | 145.6 | 1.9 | 6 448 | 106 |
试验 | 142.9 |
注: Pm为峰值荷载,,n为模型单元数量,t为计算时间。
采用盈建科软件设计一栋简单规则的6层4×2跨装配整体式混凝土空间框架结构,取其中的一榀框架作为研究对象。框架按设防烈度7度(0.15g)、第一设计分组、Ⅱ类场地土、三级抗震等级进行设计。楼面恒荷载为5.0 kN/

图6 结构平面图(单位: mm)
Fig. 6 Structure layout plan(unit: mm)
使用第2节的建模方法分别建立了尺寸和配筋相同的装配式结构和现浇结构的多尺度模型,取框架梁、柱的实体单元计算范围为ld=1.5h,框架结构模型尺寸和配筋如

图7 装配整体式框架结构模型尺寸和配筋(单位: mm)
Fig. 7 Dimensions and reinforcement of monolithic precast reinforced concrete frame structure model(unit: mm)
装配整体式混凝土框架结构和现浇混凝土框架结构的动力特性如
结构类型 | f1/Hz | f2/Hz | f3/Hz | f4/Hz | f5/Hz | f6/Hz |
---|---|---|---|---|---|---|
装配式结构 | 0.728 1 | 2.302 7 | 4.218 3 | 6.514 9 | 9.039 6 | 9.231 1 |
现浇结构 | 0.755 7 | 2.379 2 | 4.333 2 | 6.652 4 | 9.190 5 | 9.286 7 |
相对差值 | -3.7% | -3.2% | -2.7% | -2.1% | -1.6% | -0.6% |
为了解结合面接缝对装配整体式框架抗侧刚度的影响,采用

图8 荷载分布模式
Fig. 8 Load distribution mode

图9 基底剪力-顶点位移曲线
Fig. 9 Curves of base shear force to top displacement
可见,荷载较小时,装配整体式混凝土框架结构和现浇混凝土框架结构的基底剪力与顶点位移呈线性关系;随着荷载增加,2种结构的静力抗侧刚度出现明显退化,装配整体式框架的静力抗侧刚度始终小于现浇框架。装配式框架在屈服点处的基底剪力更小,相应的顶点位移也更小。装配式结构和现浇结构在均匀荷载分布模式下的基底剪力最大值相较于倒三角分布模式降低了14.95%和15.57%。
为进一步研究罕遇地震作用下2种框架结构的抗震性能,选取2条天然波(Chi-Chi地震波和Imperial Valley地震波)和1条人工波进行7度罕遇地震(310 gal)作用下的动力弹塑性时程分析,动力时程求解算法为Newmark-β法。各地震波的时程曲线均按照比例将峰值转换成310 cm/

图10 框架顶层位移时程对比
Fig. 10 Comparison of displacement time history of framework top floor
框架类型 | 地震波 | 第1层 | 第2层 | 第3层 | 第4层 | 第5层 | 第6层 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
装配式结构 | Chi-Chi | 25.42 | 49.39 | 69.47 | 84.77 | 99.16 | 106.43 |
Imperial Valley | 35.70 | 75.58 | 115.93 | 147.50 | 168.46 | 178.60 | |
人工波 | 88.37 | 163.28 | 227.14 | 267.52 | 290.35 | 298.47 | |
现浇结构 | Chi-Chi | 22.30 | 43.42 | 67.49 | 82.48 | 94.87 | 102.75 |
Imperial Valley | 33.82 | 74.05 | 113.22 | 143.92 | 163.68 | 172.46 | |
人工波 | 87.31 | 158.82 | 217.17 | 257.03 | 278.95 | 286.25 |
可见,在地震输入的前8 s内,装配整体式框架的顶点位移与现浇结构的顶点位移基本一致,随着地震时长增加,装配整体式框架的顶点位移响应与现浇结构的顶点位移响应差距不断加大,这是因为在地震下装配整体式框架的损伤更大,其侧向刚度降低,变形增大。装配整体式框架结构相对于现浇结构,框架顶层最大位移平均值增大了3.8%。
各地震波作用下2个框架结构模型的各楼层最大层间位移角平均值的对比如

图11 最大层间位移角对比
Fig. 11 Comparison of maximum inter-story drift ratios
为进一步研究节点的破坏程度,选取装配整体式框架结构模型与现浇结构模型损伤明显的薄弱层节点(第2层中节点)进行分析。

图12 装配式混凝土节点损伤云图
Fig. 12 Damage cloud of monolithic precast concrete joint

图13 现浇混凝土节点损伤云图
Fig. 13 Damage cloud of cast-in-place concrete joint
随着装配式混凝土节点构造复杂性提高,形式越发多样,采用多尺度模型可以有效模拟不同节点形式的装配式混凝土结构整体抗震性能,同时可以直观反映装配式混凝土结构损伤演变、裂缝发展等过程,得到结构的薄弱部分以便于进一步改进设计方法。
基于多尺度建模对装配整体式混凝土节点和框架结构进行了数值模拟,分析了装配整体式框架结构和现浇混凝土框架结构在单向推覆作用和7度罕遇地震作用下的抗震性能,得出以下结论:
1)通过算例验证可知多尺度建模方法可以正确模拟装配整体式混凝土结构的受力性能,能同时满足计算效率和计算精度的要求。
2)静力弹塑性分析表明,装配整体式框架结构的静力抗侧刚度小于现浇结构;在不同荷载分布模式作用下,结构的基底剪力最大值差值为15%左右。
3)动力弹塑性时程分析表明,在相同地震波作用下装配整体式框架结构的基本周期和动力特性与现浇结构相近,薄弱部位都位于第2层。装配整体式框架结构相对于现浇结构顶层最大位移增加了3.8%,节点损伤更加严重。
4)多尺度建模方法在装配式混凝土结构分析中具有较好的适用性。
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