基于ABAQUS自密实混凝土加固框架节点抗震性能有限元分析

工程抗震与加固改造

EarthquakeＲesistantEngineeringandＲetrofitting

Vol.40，No.1Feb．2018

［8412（2018）01-0098-06文章编号］1002-DOI：10.16226/j．issn．1002－8412.2018.01.016

基于ABAQUS自密实混凝土加固框架节点抗震性能有限元分析

11

杨欢欢，张亚英，郑

2

伟，安

泽

1

（1．北京工业职业技术学院，北京100042；2．北京壹加建设有限公司，北京100040）［提

要］以4根自密实混凝土加固框架节点的试验研究为基础，采用有限元软件ABAQUS建立了自密实混凝土加固框架

模型中考虑了材料非线性以及自密实混凝土材料的压碎，模拟结果与试验吻合较好。对影响节点节点的非线性有限元模型，

极限承载力的初始受力进行了分析，结果表明，有限元模型可以很好地模拟自密实混凝土加固框架节点的抗震受力性能，框其承载力随着初始受力的增大而减小。因此，加固设计时应予以考虑。架节点的初始受力对节点的极限承载力有一定影响，

［关键词］自密实混凝土；加固；框架节点；二次受力；抗震性能；有限元分析［中图分类号］TU375.4

［文献标识码］A

FiniteElementAnalysisonSeismicPerformanceofFrameJointsStrengthenedbySelf-CompactingConcreteUnderSecondaryLoad

YangHuan-huan1，ZhangYa-ying1，ZhengWei2，AnZe1

（1．BeijingPolytechnicCollege，Beijing，100042，China2．BeijingYijiaBuilding

Co．，Ltd，Beijing，100040，China）

Abstract：Basedontheexperimentalstudyof4framejointsstrengthenedwithself-compactingconcrete，thefiniteelementmodelsofframejointsstrengthenedwithself-compactingconcreteareestablishedbyfiniteelementsoftwareABAQUS，consideringthematerialnonlinearandcrushingofconcretematerial，andthesimulationresultsagreewithexperimentresults．Theeffectoflimitcapacityofthejointsisstudiedbyanalyzingtheinitialstress，theresultsindicatethat：thefiniteelementmodelcansimulatetheseismicbehaviorofandthecapacityframejointsstrengthenedbyconcrete，theinitialloadhassomeinfluenceonthecapacityofthestrengthenedjoints，decreaseswiththeinitialload，sotheconsolidationdesignshouldbeconsidered．

Keywords：self-compactingconcrete；strengthen；framejoints；secondaryload；seismicperformance；finiteelementanalysisE-mail：85166530@qq．com

梁柱节点是钢筋混凝土框架结构的重要组成部

［1］［2］分。唐山、汶川等国内外震害表明，在强烈地节点破坏是钢筋混凝土框架结构破坏、倒震作用下，

塌的主要原因之一。同时，已有建筑框架节点由于不能满足使用功能的变更或抗震规范要求，因此需要采取相应措施对其进行加固处理。1

试验概况

采用增大截面法对3个混凝土框架节点进行加固，作为试验试件，编号J－1～J－3；对比试件为未

［收稿日期］2017－04－27

［基金项目］北京市教育委员会科技面上项目（KM201510853003）

北京工业职业技术学院科研课题（bgzyky201710）

进行加固处理的钢筋混凝土框架试件，编号J－0。

试件构造及尺寸见图1、图2，主要参数见表1。表计算得Pcr为14kN。中Pcr为未加固梁端开裂荷载，

原构件混凝土采用搅拌站提供的商品混凝土，混凝土强度实测值为58.53MPa；新混凝土采用普通硅酸盐水泥（Ｒ42.5）、碎石（5～10mm粒径）、中砂（细度模数2.4）、粉煤灰（Ⅱ级）、高效减水剂。加固混凝土实测的立方体抗压强度见表1。原构件柱截面尺寸为250mm×250mm，梁截面尺寸为150mm×300mm，详见图1。按《混凝土结构加固设（GB50367-2006）进行加固，计规范》加固方法为：

60mm的四面围套加固；梁，U型加固，柱子，两侧为60mm，梁底为100mm。新老混凝土粘结面进行凿

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16纵筋采用HＲB335级，直径分别为20mm、

14mm。其中20mm直径纵筋的屈服强度为mm、

390MPa，极限强度为585MPa，弹性模量为200GPa；16mm直径纵筋的屈服强度为375MPa，极限强度为580MPa，弹性模量为201GPa；14mm直径纵筋的屈服强度为396MPa，极限强度为530MPa，弹性模量为200GPa。箍筋采用HPB235级，屈服强度为350MPa，极限强度为531MPa。

4］。加载制度详见参考文献［

图1Fig．1

对比试件尺寸与配筋详图

Detailsoftheoldspecimens’size

图2

Fig．2

加固试件尺寸与配筋详图

Detailsofthestrengthenedspecimens’size

毛处理，以保证其粘结性能。

表1Tab．1加固混凝土

编号J－0J－1J－2J－3

立方体抗压强度（MPa）

－68.3472.4863.79

试件概况

图3

梁端初始受力0.25Pcr

00.25Pcr0.5PcrVol.40，No.1

试件加载装置图、加载示意图、加载方式Fig．3

Testset-up，loadingdiagramandloadinglaw

轴压比0.30.30.30.3

Specimenoverview

混凝土坍落度－260262254

22.1

有限元模拟

有限元模型

采用ABAQUS软件对二次受力下的自密实混凝土加固框架节点的抗震性能进行模拟。混凝土单元选用8节点六面体线性减缩积分单元（C3D8Ｒ），

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·100·工程抗震与加固改造2018年2月

钢筋单元选用三维桁架线性单元（T3D2）。本文根据骨料最大粒径，所有实体网格密度均选用0.05m。2.2材料参数选取2.2.1

混凝土

在混凝土结构的数值分析中，混凝土本构关系

模型对钢筋混凝土结构的非线性具有很大影响。本文采用的是混凝土损伤塑性模型，它是以各向同性损伤弹性结合各向同性拉伸和压缩塑性的模式来表示混凝土的非弹性行为。该模型是基于塑性的连续介质损伤模型，它假定了混凝土的两个主要失效机制：拉伸开裂和压碎破坏。模型采用Lubline等人提

出，

由Lee和Fenves修正的屈服面模型［5、6］

。混凝土的等效受压应力－应变关系曲线采用Hongnestad

公式［7，8］

。假定在达到峰值应力1/3前，混凝土均

为线弹性材料，该阶段弹性模量EC为定值，按下式计算

［9］

：

E105

C

=

2.2+34.7/f（1）

cu

模型的计算参数见表2。

表2

计算参数

Tab．2

Parametercalculation

剪胀角流动势双轴受压与单轴不变量粘滞偏量受压极限强度比

应力比系数30

0.1

1.16

2/3

0.0005

2.2.2钢筋

本文所用试验钢筋为热轧钢筋，采用弹塑性的双折线模型，其本构关系见图4所示。

图4

钢筋应力应变图

Fig．4

Stress-strainrelationshipoftheconcrete

2.3钢筋与混凝土之间的相互作用

钢筋混凝土有限元分析有分离式、嵌入式和分

布式三种模型，

研究表明分离式能更准确的模拟钢筋与混凝土之间的相互作用关系。本文采用分离

式，通过Embedded方式在混凝土中嵌入钢筋，自由

度节点与混凝土一致。2.4

新老混凝土之间的界面接触

老混凝土加固前在表面上做了充分的凿毛处理，

新老混凝土之间的粘结较好，并且加固构件破坏过程并未出现新老混凝土界面破坏，因此本文采用绑定约束（tie）来模拟。本文模型中将新混凝土的粘结面定义为从面，而将老混凝土的粘结面定义为主面。2.5

二次受力模拟方法

二次受力为先施加轴向力，混凝土加固后再施

加水平力，

由于在未加固构件承受初始竖向力的时候没有加固部分混凝土，

ABAQUS不能施加轴向力求解后添加新单元再求解，必须在前处理过程生成所有单元，即在加轴力前添加关键字行*MODELCHANGE，TYPE=ELEMENT，ＲEMOVE将加固钢筋混凝土单元

“杀死”，在轴向力求解完毕施加水平力之前，添加关键字行*MODELCHANGE，TYPE=ELEMENT，ADD使加固单元“出生”。2.6

有限元模型

有限元模型按照试件的实际尺寸建立，见图5所示。为了消除应力集中，在支座和加载点分别设置了弹性钢垫片。

图5混凝土有限元模型

Fig．5

Concretefiniteelementmodel

2.7

非线性有限元求解

采用Newton-Ｒaphson平衡迭代法对钢筋塑性变形、

混凝土开裂进行求解，将ABAQUS软件得到的残差力与容许值比较（容差选用1%），判断是否达到平衡状态。同时，比较总增量位移与位移修正

值，江见鲸建议位移容许值可调整到2%～3%

［10］

。3计算结果分析

3.1

有限元计算模拟结果对比

采用ABAQUS计算所得各试件模拟结果的对

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图6

Fig．6

钢筋骨架有限元模型

Steelskeletonfiniteelementmodel

比情况见图7所示。3.2

自密实混凝土加固框架节点荷载位移曲线根据计算结果可分别得到各节点模型在单调荷

载下的荷载－位移曲线，见图8所示。

由图8可知，有限元计算结果中自密实混凝土加固后梁柱节点在循环荷载作用下，其荷载－位移骨架曲线大致经历了直线上升的弹性阶段，曲线上

而后下降趋于平缓。升至最大荷载点有一个下降段，

其发展趋势与试验结果基本吻合，表明本文的计算模型能够较好地模拟自密实混凝土加固后梁柱节点的破坏形态和受力性能。

4参数分析

在对相关试件节点试验进行有限元模拟对比的基础上，还对梁端初始荷载分别为梁截面开裂荷载75%和100%的节点试件进行了模拟，J－2与J－1、和J－3对比情况见图9所示。试验及有限元分析的加载特征值见表3所示。

从骨架曲线的对比我们可以看出：

（1）由图9极限承载力的对比可知，增大截面

在截面增大尺寸不大的情况下，仍可有效提高节法，

点的极限承载力，表明该法可有效加固钢筋混凝土框架节点。

（2）初始荷载下，原试件产生不同程度的损伤，原试件梁上部纵筋产生一定的初始拉应力，下部纵筋产生初始压应力，与工程实际情况相符，随着初始荷载的增加，节点梁上部和下部钢筋应变有着不同程度的增大；初始钢筋应力条件的改变使得后期加载阶段所反应出的骨架曲线也产生一定的变化。初始荷载增加，骨架曲线上第一象限的峰值极限点在降低的同时，也向荷载坐标轴靠近。这是由于大的初始荷载使得钢筋应力维持在一个较高的水平，原

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Fig．7

图7

模拟结果示意图

Simulationresultsschematic

试件承载力可增大的空间就比较有限，加固层通过

新老混凝土的粘结以及加固钢筋的锚固，提前进入

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·102·工程抗震与加固改造2018年2月

图8加固试件试验骨架曲线有限元对比图Fig．8

Skeletoncurvesofthestrengthenedspecimen

comparedwiththeFEM

高负荷的工作状态，因此初始荷载越大，第一象限进

入极限峰值点阶段就越早。但是试验值和有限元模拟值均体现出另外一个规律，就是初始荷载对第三

象限的屈服点和极限峰值点并没有太大的影响。

图9不同初始荷载加固节点骨架曲线有限元模拟对比图

Fig．9

ThesimulationforFEMskeletoncurvesofstrengthenedjointsunderdifferentinitialload

表3试验及有限元计算结果Tab．3

TheresultsoftestsandFEM

编号Pmax（kN）

Δmax（mm）

Pu（kN）

J－154.57/－.469.26/－11.5446.38/－54.79J－257.70/－61.6010.34/－12.49.05/－52.36J－361.06/－58.9510.46/－11.7151.90/－50.1175%Pcr

63.79/－55.9511.65/－12.5354.22/－47.56

100%Pcr66.96/－52.8811.72/－12.9656.92/－44.95注：负值表示反向加载下的值，Pmax为最大承载力，Δmax为最大承载力对应的位移，Pu为极限承载力，其中J－1～J－3为试验值，

75%Pcr和100%Pcr为计算值。（3）从表3可以看出，随着梁端初始力的增大，

试件的正向极限荷载（与梁端初始力方向反向）随之增加，反向极限荷载随之降低。在节点两侧梁端

同为梁端初始向下力的作用下，

当作动器向下加力时，所需的力较小，梁端破坏时梁端的力也较小，而

当作动器向上运行时，需要一个力来抵消梁端的初始力，因而梁端初始力越大，梁端达到破坏时作动器的力也越大。5

结论

通过建立低周反复荷载作用下自密实混凝土加

固后梁柱节点的非线性有限元计算模型，对自密实混凝土框架节点抗震性能进行了深入研究，可以得

出以下结论：

（1）计算结果揭示的破坏形态与试验结果相似，有限元计算的各试件荷载－位移骨架曲线与试验所得曲线基本吻合，表明该有限元模型可用来模

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拟和研究自密实混凝土加固框架节点抗震性能。

（2）通过对不同初始受力的参数分析可知，初始受力对自密实混凝土加固框架节点的加固效果有不利影响，并且随着初始受力的增加，加固构件的极在可能的限承载力随之减小。建议在工程加固时，情况下应尽量卸载后进行加固，并且应考虑初始受力对加固后承载能力的影响。

（3）由于条件，研究无法对初始荷载对加固承载力给出定量推式，还有待于今后进一步的研究。

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［作者简介］杨欢欢（1981～），女，硕士研究生，讲师，主要从事建筑结构分析与加固改造研究

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