再生混凝土框架边节点抗震性能试验与数值分析

付佳丽，柳炳康，周点龙（．合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009；2．安徽工程大学建筑工程学院，安徽芜湖 24000）



再生混凝土框架边节点抗震性能试验与数值分析

付佳丽1，2，柳炳康1，周点龙1
（1．合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009；2．安徽工程大学建筑工程学院，安徽芜湖 241000）

摘要：通过对2榀再生混凝土框架边节点进行低周反复荷载试验．其中，1榀构件以粉煤灰等量取代水泥，研究在不同胶凝材料下再生混凝土框架边节点的破坏形态，试验获得低周反复荷载下荷载－位移滞回曲线、骨架曲线及刚度退化情况；利用有限元软件ABAQUS对2榀再生混凝土梁柱边节点进行数值模拟．再生混凝土本构关系以普通混凝土本构模型为原型，结合再生混凝土材性试验进行修正，得到的相应本构关系及塑性损伤模型，能较好地模拟再生混凝土节点的受力状态．将试验结果与模拟结果进行了对比分析，结果表明，试件Mises应力云图、极限荷载、骨架曲线、刚度退化曲线模拟值与试验值吻合较好，证明了在ABAQUS中建立的模型能较好地模拟再生混凝土构件的力学行为．

关 键 词：再生混凝土；框架边节点；ABAQUS；塑性损伤模型；数值模拟

再生混凝土材料作为新近发展起来的绿色环保建材，已引起行业内的广泛关注．它不仅解决了废弃建筑垃圾对环境产生的污染问题，而且缓解了天然骨料开采所带来的生态压力．再生混凝土结构作为一种新型的结构形式，国内外学者已从其材料性质到结构构件进行了较为系统研究，并获得了大量研究成果［1－3］，但国内外关于再生混凝土节点的研究相对较少．肖建庄和朱晓辉［4－5］等对再生混凝土框架节点抗震性能进行了研究．结果表明，再生混凝土框架节点的破坏过程与普通混凝土节点类似，其抗剪承载力、延性、耗能均满足抗震要求；随着再生粗骨料取代率的加大，再生混凝土框架节点抗震性能有降低的趋势，表现为抗剪承载力降低、耗能能力下降、延性系数减小．贾胜伟［6］等对再生混凝土框架梁柱中节点的延性及耗能能力进行了研究．试验结果表明，再生混凝土框架梁柱节点的延性与耗能能力与普通混凝土框架梁柱节点相比差别不大，基本一致，两者破坏的规律也较为统一．这些研究均是从再生混凝土本身进行的，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，为将改性再生混凝土在抗震地区加以应用，对其抗震性能的研究是十分必要的．

通过2榀再生粗骨料取代率为100%再生混凝土框架边节点试验研究，以粉煤灰等量取代水泥改性，探讨改性后再生混凝土框架节点的破坏机制及抗震性能．在试验的基础上，利用有限元软件ABAQUS对再生混凝土边节点进行数值模拟．以普通混凝土本构模型为原型，考虑再生混凝土材性进行修正［7］，得到再生混凝土的本构关系及塑性损伤模型，模拟再生混凝土节点的受力状态，且将试验和数值模拟结果进行了对比，两者吻合较好，说明利用ABAQUS合理建模能较好地模拟再生混凝土节点构件的力学行为．

1 试验概况

1．1 试件设计

试验制作2榀取代率100%的再生混凝土框架边节点，梁、柱截面尺寸及配筋均相同，编号为BJ－1、BJ－2．其中，试件BJ－2以粉煤灰等量取代水泥，取代率为15%，用来探讨普通再生混凝土与改性再生混凝土抗震性能的差异．试件尺寸及配筋详图如图1所示．

1．2 材性试验

试验所用再生骨料来自建筑物拆除后的废弃混凝土，依据《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ52－2006）进行再生骨料材料性能试验，再生混凝土的配合比及实测立方体抗压强度如表1所示．梁、柱纵筋采用HRB400级热轧钢筋，实测屈服强度为550N／mm2（16），箍筋采用HPB300级热轧钢筋，实测屈服强度为382N／mm2（6）．

表1　再生混凝土配合比及抗压强度

1．3 加载装置与测量内容

试验采用拟静力加载方案，加载装置示意图如图2所示．试验过程中试件BJ－1、BJ－2的轴压比始终维持在0．2，在柱顶利用液压千斤顶施加360kN轴向力，然后利用MTS动力伺服加载系统的作动器在梁端施加低周反复荷载．加载采用荷载与位移混合控制［8］，试件屈服前由梁端荷载控制加载，每级循环1次；试件屈服后由梁端位移控制加载，位移加载时在屈服位移基础上以10mm递增，每级循环3次，每级加载循环时间保持相同时间间隔，直到试件破坏．加载制度如图3所示．

图1　试件尺寸及配筋图　

图2　试验加载装置示意图

测量内容包括：梁端荷载及相应的位移；用来计算塑性铰区域转角的梁根部上下位移传感器位移值；用于计算核心区剪切应变角的节点核心区十字交叉位移传感器位移值；梁、柱纵筋和箍筋预埋应变片的应变值．其中，梁端荷载及位移由MTS加载系统自动记录，其余位移及应变值由日产TDS－303数据采集仪同步采集．

图3　试验加载制度

2 试验结果

2．1 试验过程

2榀再生混凝土框架边节点在试验过程中均发生了节点核心区剪切破坏．试件BJ－2破坏现象如图4所示．破坏过程经历了初裂阶段、通裂阶段、极限阶段和破坏阶段，与普通混凝土框架中节点受力过程相似．在加载初期，试件均处于弹性工作状态，P－Δ曲线呈直线变化状态．随着荷载的持续增大，BJ－1正向荷载加载到极限荷载的45%左右，反向加载到极限荷载的40%左右时，梁上端开始出现微裂缝，核心区进入初裂阶段，卸载后，裂缝可闭合．加载至极限荷载的85%时，核心区进入通裂阶段，梁端最大裂缝达到0．3mm，此时核心区箍筋已达屈服，梁内纵筋亦开始屈服，试件进入屈服状态．

试件屈服后加载改为位移控制，随着位移的增加，承载能力达到极限值，此时梁端裂缝宽度在2．5mm左右，节点核心区裂缝宽度可达3．1mm左右，节点核心区进入极限阶段．继续增加位移循环，节点核心区表面的混凝土大块剥落，承载力下降至极限荷载的75%左右，试验结束．试件BJ－2试验过程与BJ－1类似，以试件BJ－2为例破坏现象如图4所示．主要的试验参数如表2所示．

图4　试件BJ－2破坏现象

表2 试件试验参数统计表

2．2 梁端荷载－位移滞回曲线

试验获得2榀试件的梁端荷载－位移滞回曲线．加载初期试件的荷载－位移（P－Δ）曲线呈直线循环，进入位移加载阶段后，滞回曲线的斜率减小，荷载增速放缓．试件BJ－1和试件BJ－2梁端纵筋尚未完全屈服时节点核心区已产生损伤，试件的滞回曲线如图5所示．

2．3 骨架曲线和刚度退化

试件的骨架曲线如图6所示．由图6可以看出，在荷载较小的时候，骨架曲线是一条直线，呈弹性状态；构件开裂后，进入弹塑性受力阶段，骨架曲线产生拐点．BJ－2的正向荷载峰值略大于BJ－1，说明经过粉煤灰改性后在一定程度上可延缓裂缝发展．

试件的刚度退化曲线如图7所示．由图7可以看出，加载初期弹性阶段，试件刚度保持不变；进入初裂阶段，刚度退化速度加快；直至屈服阶段，刚度退化曲线下降段变平缓．由于试件纵筋配筋量相同，其刚度退化趋势基本一致．

图5　试件荷载－位移滞回曲线图

图6　骨架曲线　

3 再生混凝土试件有限元分析

3．1 再生混凝土本构关系模型

试验再生混凝土本构关系模型采用过镇海的无量纲受压应力－应变曲线［9］，该应力－应变曲线能够较好拟合混凝土实际受压受拉行为；模型中具有参数a、b，可根据不同类型混凝土进行调整．混凝土单轴受压无量纲应力－应变关系方程如下：

肖建庄［7］通过对再生混凝土材性试验得出：再生混凝土应力－应变曲线总体上同普通混凝土类似，可以用式（1）进行拟合．对于不同再生骨料取代率可按式（2）、式（3）确定参数a、b修正．不同骨料取代率再生混凝土应力－应变曲线如图8所示．由图8可以看出，随着再生骨料取代率的增加，混凝土弹性模量持续下降，系数a随之减小；混凝土表现出更显著的脆性，系数b逐步增大．通过试验［7］统计回归出参数a和b与再生骨料取代率r的关系式如下：

式中，r为再生骨料取代率，本次试验r＝100%，可得a＝1．08，b＝7．03．则再生混凝土受压应力－应变曲线为：

再生混凝土受拉的本构关系上升段曲线采用如下应力－应变曲线方程［10］：式中，d为该曲线原点处切线斜率，再生骨料取代率为100%时，d＝1．26，可得：

3．2 再生混凝土塑性损伤模型及参数

ABAQUS中采用混凝土塑性损伤模型模拟试件在低周反复荷载作用下再生混凝土的应力－应变关系，以此来考虑材料屈服后损伤、刚度恢复、裂缝开展与闭合的受力特性．混凝土受压初始阶段，受力性能接近于线性，加载后期趋于弹塑性变形，曲线达到峰值后迅速下降而后坡度变得平缓．根据这种趋势，ABAQUS定义材料弹塑性时，将受压曲线分为理想弹性上升、曲线强化、曲线下降三阶段；将受拉曲线分为理想弹性上升和曲线下降两阶段．

（1）混凝土受力参数．在ABAQUS中建模，混凝土受力参数取值确定如下：再生混凝土立方强度fcu＝30．2Mpa，棱柱体抗压强度［11］：

由x＝0．323 3，y＝0．4得：

（2）混凝土单轴受压损伤演化参数dc．混凝土单轴受压的应力－应变曲线可依据规范［11］按下列公式确定：

（3）混凝土拉伸损伤演化参数．混凝土单轴受拉的应力－应变曲线可按下列公式［11］确定：

3．3 钢筋本构关系模型

试验所用纵筋为HRB400钢筋，箍筋为HPB300钢筋，钢筋本构模型简化为具有弹塑性硬化段的二折线模型如图9所示．钢筋采用弹性强化模型，即屈服前为完全弹性的，屈服后的应力－应变关系简化为很平缓的斜直线．为加快计算的收敛速度，将此阶段的应力和应变关系取为σ，表达式为：

图8　不同骨料取代率再生混凝土应力－应变曲线　

图9　钢筋应力－应变模型曲线

4 数值模型与分析

4．1 模型建立

试验模型分析时再生混凝土采用C3D20单元，它是一种20节点三维六面体二次完全积分单元，这种积分单元不仅可以满足试验的精度要求，而且求解起来比较方便，节约时间．建模时主要输入的数据包括混凝土的杨氏模量、混凝土的泊松比以及混凝土的本构关系．钢筋采用T3D2单元，它是一种2节点三维桁架单元，建模时主要输入钢筋的弹性摸量、泊松比以及钢筋的本构关系．再生混凝土及钢筋骨架分析模型如图10所示．

图10　有限元模型图

4．2 试件Mises应力云图

试件混凝土Mises应力云图如图11所示．由图11可以看出，最大应力均大于最大压应力，说明节点核心区混凝土被压碎剥落；试件钢筋Mises应力云图如图12所示．由图12可以看出，钢筋的最大应力均为550Mpa，说明部分钢筋在构件破坏时已经屈服．这些都与试验结果基本吻合．

4．3 骨架曲线

试件BJ－1和试件BJ－2骨架曲线的有限元模拟值与试验值对比如图13所示．由图13可以看出，加载初期，模拟曲线与试验曲线吻合度较高，几乎保持重合．试件模拟曲线峰值比试验曲线小，加载后期，模拟曲线下降较为平缓．试件梁端极限荷载试验值与模拟值如表3所示．由表3可知，两者之比在0．83～0．93之间．这是由于试件混凝土材料存在离散性，同时ABAQUS中再生混凝土的本构关系及塑性损伤模型与实际材料不完全吻合所致．

图11　试件混凝土Mises应力云图

图12　试件钢筋Mises应力云图

图13　骨架曲线对比图

4．4 刚度退化曲线

有限元模拟所得2榀试件刚度退化曲线如图14所示．由图14可以看出，两者的模拟曲线与试验曲线变化趋势较为一致，模拟曲线前期下降速率大于试验曲线，后期下降速率小于试验曲线，模拟刚度退化曲线下降速率比较均匀．

图14　刚度退化曲线对比图

表3 试件梁端极限荷载值对比

5 结束语

研究表明，掺加15%粉煤灰取代水泥的改性再生混凝土边节点的破坏形态、承载能力与普通的再生混凝土差别不大，其破坏过程可分为初裂、通裂、极限和破损4个阶段，试件具有良好的受力性能．再生混凝土本构关系以普通混凝土本构模型为原型，结合再生混凝土材性试验进行修正，得到的再生混凝土无量纲受压与受拉应力－应变曲线方程及相应的塑性损伤模型，能很好地模拟再生混凝土节点的受力状态，模拟值和试验值吻合较好．钢筋本构关系简化为具有弹塑性硬化段的二折线模型．在屈服前，钢筋处于弹性受力阶段，屈服后简化为平缓的斜直线．钢筋在混凝土中主要承受拉力及压力，仅考虑其轴向应力，采用桁架单元来进行模拟．试件Mises应力云图、骨架曲线及刚度退化曲线模拟值与试验值变化趋势基本一致，极限荷载比值在0．83～0．93之间，证明了ABAQUS软件能较好地模拟再生混凝土的力学性能．试件模拟骨架曲线及模拟刚度退化曲线与试验曲线存在一定误差，这是因为试件混凝土材料存在离散性，同时ABAQUS中再生混凝土的本构关系及塑性损伤模型与实际材料不完全吻合所致．由于再生混凝土本构关系无成熟的应力－应变关系式，混凝土材料的不均匀性、反复荷载试验环境易受干扰等原因，模拟结果与实际情况存在一定的差别，有待今后进一步研究解决．

参考文献：

［1］ 肖建庄．再生混凝土［M］．北京：中国建筑工业出版社，2008．

［2］ V Corinaldesi，G Moriconi．Behavior of beam－column joints made of sustainable concrete under cyclic loading［J］．Journal of Materials in Civil Engineering，2006，18（5）：650－658．

［3］ 曹万林，张勇波，董宏英，等．再生混凝土结构抗震性能研究进展与评述［J］．地震工程与工程振动，2013，33（6）：63－73．

［4］ 肖建庄，朱晓辉．再生混凝土框架节点抗震性能研究［J］．同济大学学报：自然科学版，2005，33（4）：436－440．

［5］ 朱晓辉．再生混凝土框架节点抗震性能研究［D］．上海：同济大学，2004．

［6］ 贾胜伟，李晓文，刘超．再生混凝土框架中节点延性及耗能分析［J］．新型建筑材料，2008（8）：7－10．

［7］ 肖建庄．再生混凝土单轴受压应力－应变全曲线试验研究［J］．同济大学学报：自然科学版，2007，35（11）：1 445－1 449．

［8］ JGJ 101－96，建筑抗震试验方法规程［S］．北京：中国建筑工业出版社，1996．

［9］ 过镇海，时旭东．钢筋混凝土原理和分析［M］．北京：清华大学出版社，2003．

［10］肖建庄，兰阳．再生混凝土单轴受拉性能试验研究［J］．建筑材料学报，2006，9（2）：112－117．

［11］GB 50010－2010，混凝土结构设计规范［S］．北京：中国建筑工业出版社，2010．

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

作者简介：付佳丽（1982－），女，山东平度人，讲师，博士研究生．

基金项目：安徽省高等教育提升计划省级自然科学研究一般基金资助项目（TSKJ2015B05）

收稿日期：2015－11－13

文章编号：1672－2477（2016）01－0076－09

中图分类号：TU375

文献标识码：A