CN110532580A - 一种预应力装配式混凝土结构节点半精细数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

一种预应力装配式混凝土结构节点半精细数值模拟方法，建立模拟预应力装配式混凝土结构梁柱或柱脚节点半精细仿真模型，其步骤如下：步骤一、构建梁柱单元网格；步骤二、预制混凝土构件通过平面应力单元模拟，预制混凝土构件间的接触面通过接触单元模拟；步骤三、预制混凝土构件中普通钢筋及预应力筋的力学变化均通过桁架单元模拟；步骤四、对于模型中在受力作用下的钢筋耗能件以及其他耗能件，用桁架单元或者特殊耗能器单元模拟；步骤五、在模型中钢筋和混凝土之间的摩擦作用，通过设定非线性弹簧方法进行模拟；本发明通过不同构件采用不同的单元法模拟，并对模拟钢筋进行简化处理，既满足了节点分析受力的要求，又保证了模拟过程精准和简化。

Description

一种预应力装配式混凝土结构节点半精细数值模拟方法

技术领域

本发明属于预应力装配式混凝土模型模拟方法领域，特别涉及一种预应力装配式混凝土结构节点半精细数值模拟方法。

背景技术

由于装配式建筑具有施工速度快、经济效益好以及对环境污染小等优势，已成为现代化建筑产业广泛应用的结构形式；在装配式建筑中预应力混凝土结构的应用，则有自重轻、刚度大和变形可恢复等优点，是符合装配式施工的重要结构形式。目前常规的装配式混凝土结构设计主要采取等同现浇的设计理念，而预应力混凝土结构，由于采用干式连接或混合连接，存在典型的构件接缝和连接界面，其宏观结构性能和微观受力机理、破坏机理与传统的现浇结构存在很大的差异，不适合机械地套用传统现浇结构的设计方法；而在预应力混凝土结构体系设计和分析中，精确高效的对节点进行数值模拟，是进行精细化结构分析和设计的关键所在，一般使用的有限元软件对节点进行数值模拟，在对模型的简化过程中，存在建模工作量大、模拟不精确、非线性分析难以收敛以及计算量大等诸多问题。因此，需要提供一种预应力装配式混凝土结构节点的半精细模拟方法。

发明内容

本发明提出一种预应力装配式混凝土结构节点半精细数值模拟方法用以解决上述问题，具体技术方案如下：

一种预应力装配式混凝土结构节点半精细数值模拟方法，建立模拟预应力装配式混凝土结构梁柱或柱脚节点半精细仿真模型，其步骤如下：

步骤一、基于实际预应力装配式混凝土结构梁柱或柱脚节点尺寸和位置关系，在仿真模型中构建梁柱轮廓并进行单元分割，形成单元网格；

步骤二、在对应的单元网格内设定混凝土参数，其中预制混凝土构件的力学作用通过平面应力单元模拟，预制混凝土构件间的接触面通过接触单元模拟；

步骤三、基于实际构件中的配筋和钢筋参数，对模型中相应位置处进行钢筋的添加和参数设定，其中预制混凝土构件中普通钢筋及预应力筋的力学变化均通过桁架单元模拟；

步骤四、对于模型中在受力作用下的钢筋耗能件以及其他耗能件，用桁架单元进行模拟；

步骤五、在模型中钢筋和混凝土之间的摩擦作用，通过设定非线性弹簧方法进行模拟。

所述接触单元模拟时设置两个接触面的接触属性，规定接触压力均在两个接触面间传递，当两个接触面脱离时，接触面压力均设置为零。

所述接触面的切向力学行为，通过设置接触单元摩擦系数的方式模拟，此时摩擦系数取值范围为0.5-1.5；当接触单元无摩擦时，采用弹性或非线性弹簧模拟接触面切向力学行为。

所述桁架单元为只计算轴向的应力不计算弯矩，所有结点均为绞结点且不能传递弯矩，在模拟预应力筋的力学行为时，对于锚固端采用刚性梁或者刚性约束将预应力筋单元与混凝土构件单元连接；对于其他部位，若为有粘结预应力筋，则通过设置非线性弹簧来模拟预应力筋单元和混凝土单元之间的粘结滑移。

所述桁架单元中间设置的多个垂直于桁架单元的弹簧单元，且弹簧单元与混凝土单元连接，由此模拟孔道对预应力筋的约束作用。

所述桁架单元模拟普通钢筋的力学行为时，在有粘结段采用非线性弹簧模拟钢筋单元和混凝土单元之间的摩擦滑移，同时采用弹簧单元限制钢筋单元和混凝土单元垂直钢筋方向的相对位移。

所述预应力筋和普通钢筋为穿过梁柱节点的受力钢筋。

对于模型中的混凝土材料采用弹塑性损伤本构模型模拟，钢筋材料采用《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)规定的钢筋材料本构模型；其中，钢筋本构模型应考虑包辛格效应。

对于钢筋和混凝土之间的粘结滑移单元的滑移本构关系，通过《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)所规定的混凝土与热轧带肋钢筋之间的粘结应力-滑移本构关系曲线确定。

模型中预应力施加的方式采用降温法或装配荷载法，其中降温数值的设定通过反推或调参确定。

对于模型中穿过预制混凝土构件接缝的预应力筋和普通钢筋，不考虑非主要受力钢筋影响；不穿过预制混凝土构件接缝的非主要受力筋，通过修正混凝土材料本构模型考虑其对节点力学性能的影响。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过对梁柱节点的中的混凝土的受力采用平面应力单元模拟以及混凝土中的钢筋的受力采用桁架单元模拟，更加科学的刻画了梁柱节点处混凝土和钢筋的受力，且对于钢筋在模拟时只考虑穿过节点受力的普通钢筋和预应力筋，在保证模拟精度的同时简化了模拟，节省了模拟步骤和时间；对于接触面采用设置弹簧模拟，并规定了接触情景下的取值，进一步的增加了模拟的可靠性和适应性，且通过弹簧或非线性弹簧模拟孔道对预应力筋的约束作用或有粘结处的约束力，可更加细化的刻画梁柱节点内部构件受力，用以精准分析节点受力；本发明的混凝土和钢筋的基本参数设定均选用规范中本构模型，具有可实施性，并通过对受力作用下混凝土和钢筋，以及二者联合受力作用时分别应用不同的单元模拟，既满足了节点分析受力的要求，又保证了模拟过程精准和简化。

附图说明

图1是梁柱边节点模型示意图；

图2是梁柱中节点模型示意图；

图3是耗能钢筋内置模型示意图；

图4是混凝土单元与钢筋单元之间的非线性弹簧单元；

图5是耗能钢筋外置模型示意图；

图6是塑性损伤模型在单轴滞回荷载下的曲线图；

图7是混凝土单轴应力-应变曲线图；

图8是混凝土与钢筋间的粘结应力-滑移曲线；

图9是试件a试验结果和模拟结果对比图；

图10是试件b试验结果和模拟结果对比图；

具体实施方式

图1和图2分别给出了按照本发明所述方法应用ABAQUS软件建立的梁柱边节点、梁柱中节点和柱脚节点模型示意图，其中空心圆圈代表耗能钢筋与混凝土单元之间的粘结弹簧，实心圆圈代表模型边界约束，加粗直线代表耗能钢筋(截面端部)及预应力筋(截面中部)，黑心方块代表接触单元；以建立梁柱边节点模型为例，具体操作步骤如下：

1)在软件中根据实际梁柱节点尺寸构建梁柱边节点轮廓线，并在轮廓线内部进行网格单元划分；2)在对应的单元网格内输入混凝土或钢筋材料及参数，其中预制混凝土构件的力学作用通过平面应力单元模拟；3)预制混凝土构件间的接触面通过接触单元模拟；4)模型中预应力施加的方式采用降温法或装配荷载法，其中降温数值的设定通过反推或调参确定。

本实施例中，通过接触单元模拟混凝土构件的接触面，并设置两个接触面的接触属性，其中规定接触压力均在两个接触面间传递，当两个接触面脱离时，接触面压力均设置为零；所述接触面的切向力学行为，通过设置接触单元摩擦系数的方式模拟，此时摩擦系数取值范围为0.5-1.5；当接触单元无摩擦时，采用弹性或非线性弹簧模拟接触面切向力学行为。

本实施例中，基于实际构件中的配筋和钢筋参数，对模型中相应位置处进行钢筋的添加和参数设定，其中预制混凝土构件中普通钢筋及预应力筋的力学变化均通过桁架单元模拟；对于模型中在受力作用下的钢筋耗能件以及其他耗能件，用桁架单元或者特殊耗能器单元进行模拟；在模型中钢筋和混凝土之间的摩擦作用，通过设定非线性弹簧方法进行模拟。

本实施例中，桁架单元为只计算轴向的应力不计算弯矩，所有结点均为绞结点且不能传递弯矩，在模拟预应力筋的力学行为时，对于锚固端采用刚性梁或者刚性约束将预应力筋单元与混凝土构件单元连接；对于其他部位，若为有粘结预应力筋，则通过设置非线性弹簧来模拟预应力筋单元和混凝土单元之间的粘结滑移，其中所述预应力筋和普通钢筋为穿过梁柱节点的受力钢筋。

本实施例中，通过桁架单元中间设置的多个垂直于桁架单元的弹簧单元，且弹簧单元与混凝土单元连接，由此模拟孔道对预应力筋的约束作用；采用非线性弹簧模拟钢筋和混凝土之间的粘结滑移时，包括互相独立的一组弹簧(如图4所示)，两个弹簧分别是垂直于钢筋和平行于钢筋方向，这组弹簧是假定的力学模型，具有弹性或者非线性力-位移关系，但并无实际几何尺寸，可以放置在需要设置联结的任何地方；根据梁柱截面中主筋排列位置及主筋截面面积，在对应位置设置桁架单元钢筋的模拟分为普通钢筋和预应力筋两种。

模拟普通钢筋时，在有粘结段采用非线性弹簧模拟钢筋和混凝土之间的粘结滑移，同时采用弹性或者非线性弹簧限制钢筋和混凝土垂直钢筋方向的相对位移；模拟预应力筋的力学行为时，对于锚固端，如图3和图5所示分为耗能钢筋内置和外置，钢筋单元通过弹簧与混凝土单元连接，当耗能钢筋内置时，钢筋单元节点与距离最近的混凝土单元节点连接；当耗能钢筋外置时钢筋单元两端通过刚度较大弹簧与混凝土单元粘结。采用刚性梁或者刚性约束模拟预应力筋单元与混凝土构件之间的连接，对于其他部位有粘结预应力筋，通过设置非线性弹簧来模拟预应力筋和混凝土之间的粘结滑移，同时采用弹性或者非线性弹簧限制钢筋和混凝土垂直钢筋方向的相对位移。

如图6所示，对于模型中的混凝土材料采用弹塑性损伤本构模型模拟，此模型用损伤变量来模拟裂缝的开裂、发展引起的材料刚度退化和强度退化，采用两个损伤变量来分别模拟混凝土材料受压损伤和受拉损伤，引入有效应力概念，采用非关联塑性模型来精确模拟混凝土的塑性膨胀，通过引入刚度恢复参数w_t和w_c其中w_t＝0，w_c＝1，来模拟裂缝的开裂和闭合。

如图7所示，混凝土本构模型等效骨架曲线参数按照《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)规定的混凝土本构曲线确定，其中混凝土单轴受拉的应力应变曲线如式(1)至式(4)确定；

σ＝(1-d_t)E_cε (1)

式中：α_t混凝土单轴受拉应力-应变下降段参数，E_c混凝土弹性模量，f_t，r混凝土单轴抗拉强度代表值，ε_t，r混凝土峰值拉应变，d_t混凝土单轴受拉损伤演化参数。

其中，混凝土受拉、受压的应力应变曲线示意图绘于同一坐标系中，但取不同的比例，符号取“受拉为负、受压为正”。其中，混凝土单轴受压的应力应变曲线可由式(5)至式(9)确定：

σ＝(1-d_c)E_cε (5)

式中：ε混凝土应变，σ混凝土应力，α_c混凝土单轴受压应力-应变下降段参数，f_c，r混凝土单轴抗压强度代表值，ε_c，r混凝土峰值压应变，d_c混凝土单轴受压损伤演化参数。

本实施例中，钢筋可采用《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)规定的钢筋材料本构模型，钢筋本构模型应考虑包辛格效应，如选用分析软件没有合适钢筋本构模型，应进行二次开发。

本实施例中，采用ABAQUS自带非线性弹簧单元模拟钢筋(预应力及普通钢筋)与混凝土之间的粘结滑移关系，滑移本构曲线根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)规定的混凝土与热轧带肋钢筋之间的粘结应力-滑移本构关系确定，如图8所示，曲线特征点的参数值可按照规范规定取用，如式(10)至式(14)确定：

线性段τ＝k₁s 0≤s≤s_cr (10)

劈裂段τ＝τ_cr+k₂(s-s_cr)s_cr＜s≤s_u (11)

下降段τ＝τ_u+k₃(s-s_u)s_u＜s≤s_r (12)

残余段τ＝τ_r s＞s_r (13)

卸载段τ＝τ_un+k₁(s-s_un) (14)

式中：τ混凝土与钢筋之间的粘结应力，τ_cr弹性极限粘结应力，τ_u极限粘结应力，τ_r残余粘结应力，s混凝土与钢筋之间的相对滑移，s_cr弹性极限滑移，s_u极限应力对于滑移，s_r残余应力对于滑移，k₁线性段斜率，k₂劈裂段斜率，k₃下降段斜率，τ_un卸载点的粘结应力，s_un卸载点的相对滑移。

本实施例中，模型中建立了主要受力钢筋(穿过节点的预应力筋和普通钢筋)，预制梁柱构件中的非主要受力钢筋没有在模型中建立，是因为梁柱非线性变形主要集中在结合面处，其它部位基本处于弹性状态其钢筋对结构变形的影响非常小，这样处理是为了进一步简化模型；由于未单独建立非主要受力钢筋单元，因此需对混凝土本构做如下修正，如式(15)和式(16)确定。

f_t＝ρ_t·f_y+f_t0 (15)

f_c＝ρ_t·f_y+f_c0 (16)

其中，f_t、f_t0分别为修正后与修正前的混凝土抗压强度；

f_t、f_t0分别为修正后与修正前的混凝土抗拉强度；

ρ_t为非主要受力钢筋的体积配筋率；

f_y为非主要受力钢筋的屈服强度。

对于模型中穿过预制混凝土构件接缝的预应力筋和普通钢筋，不考虑非主要受力钢筋影响；不穿过预制混凝土构件接缝的非主要受力筋，通过修正混凝土材料本构模型考虑其对节点力学性能的影响。

本模型考虑箍筋对混凝土的约束作用，确定梁柱箍筋约束区混凝土本构曲线做适当修正，将考虑箍筋约束效应峰值应力、峰值应变、极限应变计算公式与滞回曲线结合即可得到完整的材料本构模型，如式(17)至式(20)确定。

峰值应力计算公式

圆形截面

f_cc＝f_co(1+2.21λ_v ^0.9) (17)

矩形截面

式中：f_cc为约束混凝土峰值应力，f_co为素混凝土峰值应力，b为截面长边边长，a为截面短边边长，λ_v为配箍特征值。

②峰值应变计算公式：

圆形截面

ε_cc＝ε_co(1+11.045λ_v ^0.9) (19)

矩形截面

式中，ε_cc表示约束混凝土峰值应变，ε_co表示无约束混凝土峰值应变。

以下通过试件a和试件b进行的节点实验与本发明依据节点试验进行的两个算例对比，进一步说明本发明的适用性。试件a和试件b均为T形节点类型。

试件a：梁截面尺寸200mm×380mm，截面中部采用无粘结预应力筋连接，柱截面尺寸为300mm×300mm；

试件b：梁截面尺寸200mm×380mm，截面四个角部各采用一束无粘结预应力筋连接，其中预应力筋共4束，公称直径为15.2mm，柱截面尺寸为300mm×300mm。

计算模型的建立：梁柱进行网格划分，采用壳体单眼元模拟，混凝土材料采用弹塑损伤性本构模型参数根据规范定义的单轴本构曲线确定，采用等效降温法施加预应力荷载，通过试算找到合理的施加温度；预制梁柱接触面采用摩擦接触单元模拟摩擦系数取1，当设置的接触属性的两个面接触时，所有接触压力均在两面之间传递，一旦两面发生脱离，所有接触压力均归为零；无粘预应力筋采用杆单元模拟与预应力端点相连两节点设置为刚体；预应力杆单元中间设置1到2个节点与相应的混凝土单元耦合(竖向无相对位移，水平自由滑动)。

如图9和图10所示，给出了承载力随位移的计算结果与实验结果比较，可以看出计算结果与试验结果拟合效果较好，计算承载力与试验结果基本一致，可见计算模型是合理有效的。计算结果初始刚度比实验结果略大，试验结构梁柱接缝处存在初始缺陷，如：灌浆不饱满等，数值模型没有考虑结构初始缺陷。

显然，上述实施例仅是为清楚地说明本发明的突出特点所作的阐释，而并非是对本发明实施方式的限定；对于所属领域的技术人员而言，在上述说明的使用基础上仍可以做出其它不同形式的变化或变动，若未对其进行创造性改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种预应力装配式混凝土结构节点半精细数值模拟方法，其特征在于，建立模拟预应力装配式混凝土结构梁柱或柱脚节点半精细仿真模型，其步骤如下：

步骤一、基于实际预应力装配式混凝土结构梁柱或柱脚节点尺寸和位置关系，在仿真模型中构建梁柱轮廓并进行单元分割，形成单元网格；

步骤二、在对应的单元网格内设定混凝土参数，其中预制混凝土构件的力学作用通过平面应力单元模拟，预制混凝土构件间的接触面通过接触单元模拟；

步骤三、基于实际构件中的配筋和钢筋参数，对模型中相应位置处进行钢筋的添加和参数设定，其中预制混凝土构件中普通钢筋及预应力筋的力学变化均通过桁架单元模拟；

步骤四、对于模型中在受力作用下的钢筋耗能件以及其他耗能件，用桁架单元进行模拟；

步骤五、在模型中钢筋和混凝土之间的摩擦作用，通过设定非线性弹簧方法进行模拟。

2.根据权利要求1所述的一种预应力装配式混凝土结构节点半精细数值模拟方法，其特征在于：所述接触单元模拟时设置两个接触面的接触属性，规定接触压力均在两个接触面间传递，当两个接触面脱离时，接触面压力均设置为零。

3.根据权利要求2所述的一种预应力装配式混凝土结构节点半精细数值模拟方法，其特征在于：所述接触面的切向力学行为，通过设置接触单元摩擦系数的方式模拟，此时摩擦系数取值范围为0.5-1.5；当接触单元无摩擦时，采用弹性或非线性弹簧模拟接触面切向力学行为。

4.根据权利要求1所述的一种预应力装配式混凝土结构节点半精细数值模拟方法，其特征在于：所述桁架单元为只计算轴向的应力不计算弯矩，所有结点均为绞结点且不能传递弯矩，在模拟预应力筋的力学行为时，对于锚固端采用刚性梁或者刚性约束将预应力筋单元与混凝土构件单元连接；对于其他部位，若为有粘结预应力筋，则通过设置非线性弹簧来模拟预应力筋单元和混凝土单元之间的粘结滑移。

5.根据权利要求4所述的一种预应力装配式混凝土结构节点半精细数值模拟方法，其特征在于：所述桁架单元中间设置的多个垂直于桁架单元的弹簧单元，且弹簧单元与混凝土单元连接，由此模拟孔道对预应力筋的约束作用。

6.根据权利要求1所述的一种预应力装配式混凝土结构节点半精细数值模拟方法，其特征在于：所述桁架单元模拟普通钢筋的力学行为时，在有粘结段采用非线性弹簧模拟钢筋单元和混凝土单元之间的摩擦滑移，同时采用弹簧单元限制钢筋单元和混凝土单元垂直钢筋方向的相对位移。

7.根据权利要求4至6任意一项所述的一种预应力装配式混凝土结构节点半精细数值模拟方法，其特征在于：所述预应力筋和普通钢筋为穿过梁柱节点的受力钢筋。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的一种预应力装配式混凝土结构节点半精细数值模拟方法，其特征在于：对于模型中的混凝土材料采用弹塑性损伤本构模型模拟，钢筋材料采用《混凝土结构设计规范》GB50010-2010规定的钢筋材料本构模型；其中，钢筋本构模型应考虑包辛格效应。

9.根据权利要求10所述的一种预应力装配式混凝土结构节点半精细数值模拟方法，其特征在于：对于钢筋和混凝土之间的粘结滑移单元的滑移本构关系，通过《混凝土结构设计规范》GB50010-2010所规定的混凝土与热轧带肋钢筋之间的粘结应力-滑移本构关系曲线确定。模型中预应力施加的方式采用降温法或装配荷载法，其中降温数值的设定通过反推或调参确定。

10.根据权利要求1至9任意一项所述的一种预应力装配式混凝土结构节点半精细数值模拟方法，其特征在于：对于模型中穿过预制混凝土构件接缝的预应力筋和普通钢筋，不考虑非主要受力钢筋影响；不穿过预制混凝土构件接缝的非主要受力筋，通过修正混凝土材料本构模型考虑其对节点力学性能的影响。