钢筋混凝土中间层边节点模型化方法研究

钢筋混凝土梁柱节点区非弹性变形包括梁纵筋黏结滑移和节点核心区剪切变形,对钢筋混凝土梁柱组合体的受力性能影响较大,在有限元模型中合理地考虑节点区的这两种非弹性变形是数值计算的难点和关键。利用OpenSees结构分析平台中的梁柱节点单元,根据中间层边节点的受力特点和试验结果,通过对钢筋滑移分量和剪切块分量的计算模型、参数计算方法进行改进,提出了修正梁柱节点单元模型,并以多组试验结果为依据,校核了修正梁柱节点单元模型计算的准确性和适用性。分析结果表明：修正梁柱节点单元模型能有效模拟中间层边节点的整体受力性能和局部非弹性变形特性;改进的梁纵筋滑移模型能更合理地模拟贯穿节点梁纵筋的受力特性;改进的剪切块计算模型能准确模拟节点核心区的剪应力大小,以及两个不同加载方向的节点剪应力差异。     

梁柱节点的单元模型校准与其组合体试验方法对比

梁柱节点是钢筋混凝土结构中受力性能复杂的重要部位,其有限元模型的合理性是结构非线性数值模拟成功实施的关键。在OpenSees结构分析平台上,以力学模型较为细化的梁柱节点单元(beam-column joint element)模型为研究对象,在合理确定梁柱节点单元各分量的参数取值方法的基础上,分别以多组钢筋混凝土梁柱组合体试件的梁端加载、柱端加载试验结果为依据,对有限元模拟结果的准确性进行校准,并在此基础上分析了同一组合体试件分别采用梁端加载、柱端加载两种试验方法时模拟结果的差别。结果表明：梁柱节点单元中模拟节点内纵筋滑移分量的材料模型存在较明显误差,当滑移较小时,模拟结果有相对较好的精度;当梁纵筋滑移量较大时,模拟的组合体整体滞回性能与试验结果相比误差较大;当梁、柱纵筋黏结滑移值较小时,同一组合体试件在梁端加载、柱端加载两种试验方法下的节点非弹性变形相近。     

考虑柱底纵筋滑移的纤维模型及框架地震反应分析

基于材料本构关系的纤维模型能有效模拟柱在变轴力与双向弯矩耦合作用下的非线性反应,但常规的纤维模型分析方法忽略了纵筋滑移。在纤维模型基础上,采取在非线性梁柱单元端部附加零长度截面单元的方法以模拟杆端纵筋滑移的影响。以钢筋混凝土柱为例,将弯曲转角、滑移引起的固端转角等模拟结果分别与柱在低周反复荷载作用下的试验数据进行对比,校准了该模型化方法。考察了6层钢筋混凝土平面框架的非线性地震反应,研究了底层柱根纵筋滑移对框架整体和局部反应的影响。结果表明,模拟分析的纵筋滑移规律与柱的试验结果相符较好。底层柱根纵筋滑移有增大框架整体非线性地震反应的趋势,并将改变底层柱非线性变形的组成方式,减小其柱端塑性铰区的非线性弯曲变形。     

加载方式对节点受剪承载力公式的影响分析

在钢筋混凝土(RC)梁柱组合体低周反复试验中,柱端加载、梁端加载是两种常用的外荷载施加方式。加载方式不同将影响梁柱节点的纵筋滑移、节点剪切变形等试验结果,对节点在试验过程中承受的最大剪力也有影响,但我国《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)并未依据加载方式不同区分节点抗震受剪承载力计算公式,加载方式与该计算公式的关系有待澄清。本文首先从受剪机理、节点最大作用剪力计算方法两个角度分析了加载方式的影响,然后收集大量梁柱组合体低周反复加载试验结果,在区分加载方式的基础上,将柱端加载试验、梁端加载试验的节点最大作用剪力试验结果分别与按照GB 50010-2010的节点抗震受剪承载力公式进行计算所得的结果进行比较,并考察了其统计特征值。结果表明,GB 50010-2010的节点受剪承载力公式更符合梁端加载梁柱组合体试件的节点最大作用剪力统计结果;柱端加载试件的节点剪力比值系数从总体上比梁端加载试件大15%左右。由于柱端加载的梁柱组合体的变形特征与地震下实际结构的变形规律更相符,我国规范GB 50010-2010的节点受剪承载力计算公式是偏安全的。     

梁柱节点剪切变形计算模型基本假定的校核

现有钢筋混凝土梁柱节点的剪切变形计算模型包含两个基本假定,即矩形的节点核心区发生剪切变形后变为平行四边形,以及4个角点沿矩形原对角线伸长或缩短,且对角线不转动。基于ABAQUS有限元软件,以多组钢筋混凝土梁柱组合体试验结果为依据,对有限元模型的合理性进行了校核,并在此基础上对单调加载和反复加载下钢筋混凝土中间层中节点的受力性能进行了模拟。提取了变形后节点核心区4个角点的坐标数列,根据几何关系直接计算了节点剪切变形,并将其与试验实测结果进行了对比,验证了节点剪切变形计算模型基本假定的合理性。分析结果表明,计算模型采用的平行四边形假定是合理的,但对角线不转动假定存在一定误差。节点对角线转动角度将影响梁端、柱端方向的节点剪切角的计算精度,建议对现有节点剪切变形计算公式进行修正。     

基于OpenSEES的RC梁柱组合件低周反复试验数值模拟

梁柱节点是框架结构的关键部位,在地震作用下节点核心区的非弹性变形将导致节点失效甚至结构倒塌。基于某钢筋混凝土框架中间层中节点拟静力试验,利用OpenSEES分析平台,建立了宏观单元分析模型。基于节点区的三种失效机制,采用核心区剪切块、钢筋滑移和交界面剪切三分量组合的方法来模拟节点的二维非弹性性能。用修正压力场理论对核心区剪切块的骨架曲线进行标定。数值模型采用多点位移同步控制的加载模式,用罚刚度法施加位移边界条件。结果表明:经参数标定的数值模型较好地模拟了捏拢效应、加卸载路径和强度退化;但由于节点模型中未考虑楼板,导致梁端底部钢筋较早屈服,反向加载骨架较试验值低。     

考虑钢筋混凝土梁柱节点受力特征的钢筋锚固受力性能试验

强烈地震作用下梁纵筋在钢筋混凝土梁柱节点内一般会产生明显的黏结滑移变形,通过合理的材料本构模型正确描述节点内梁纵筋的黏结滑移规律是节点单元有限元模型的关键问题。在“超级节点”单元模型和OpenSees软件中,梁纵筋的应力-滑移本构模型是在传统单根钢筋锚固的单调受拉试验基础上建立的,未考虑轴压力、循环拉压等对节点内梁纵筋受力的影响。对11个锚固钢筋试件在单调受拉、循环拉压等加载方式下的受力性能进行了试验,测量了钢筋的黏结滑移变形,通过对比锚固钢筋的应力-滑移试验结果,分析了加载方式、轴压力、相对锚固长度、钢筋屈服强度等对滑移变形的影响。研究结果表明,单调受拉时钢筋的锚固性能相对最好,拉-拉循环加载时锚固钢筋的黏结滑移变形更大,拉-压循环加载会进一步加大锚固钢筋的滑移变形;施加轴压力有利于提高锚固钢筋的黏结性能、减小黏结滑移变形;增加钢筋的相对锚固长度,钢筋受拉屈服时的滑移变形将减小;基于锚固钢筋的单调受拉试验建立的材料本构模型未考虑轴压力、加载方式的影响,难以合理模拟节点内梁纵筋在强烈地震作用下的滑移变形。     

装配整体式混凝土框架梁柱组合体抗震性能试验研究

为研究基于GB/T 51231—2016《装配式混凝土建筑技术标准》改进的新型配筋构造的装配整体式混凝土框架梁柱组合体的抗震性能,进行了4个梁柱组合体试件的拟静力试验。试件的受力纵筋和箍筋均采用HRB500钢筋,且为满足易施工性的要求,试件中的预制柱采用大直径大间距纵筋,叠合梁采用大肢距组合封闭箍,后浇梁柱节点区则采用了并箍等配筋构造。研究了梁柱组合体的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、延性等抗震性能,并分析了各变形成分对柱顶侧移的贡献比例。结果表明：当层间侧移角为1/1800时,梁端接缝即出现开裂;组合体均发生梁端接缝受弯破坏,且破坏集中在接缝较小范围内;柱端荷载-位移滞回曲线形状均较为饱满,耗能能力较好;位移延性系数为3.04~3.91,极限侧移角为1/38~1/33,具有较好的延性;破坏时,梁端接缝滑移产生的侧移占总侧移的7%~12%,设计时需予以考虑;按梁端接缝受弯承载力确定的水平极限荷载计算值与试验值之比为0.83~0.89,仍具有一定的安全储备,但对弯剪复合受力下梁端接缝承载力的计算方法值得进一步研究;叠合梁和后浇节点区的配箍形式对试件的抗震性能及承载力影响不大,但梁腹接缝处配置附加抗剪纵筋可减小接缝滑移并提高试件的承载力。研究结果表明所采用的配筋构造能保证装配式梁柱组合体具有足够的抗震性能,可为工程应用提供参考。     

对抗震钢筋混凝土框架节点抗剪承载力计算公式的重新识别

根据国内外抗震框架节点中间层中节点的试验结果，着重论证了在梁端或柱端先行屈服的梁柱组合体中，节点的剪承载力已转变成由先屈服的梁端或柱端的纵筋配置数量和该纵筋在节点剪切破坏时民达到的屈服后应力状态来控制，并给出了这类节点抗剪承载力的正确表达式。     

考虑应变率效应钢筋混凝土梁柱节点受力性能有限元分析

受材料率敏感性的影响,钢筋混凝土构件具有率敏感效应,其刚度、承载力在不同应变率水平下均有所不同。基于试验结果,考虑应变率效应对钢筋混凝土梁柱节点受力性能的影响,通过有限元分析软件ABAQUS,采用混凝土损伤塑性模型以及考虑强化的钢筋双折线模型,进行了不同加载速率下梁柱节点受力性能的有限元分析。分析结果表明:采用混凝土损伤塑性模型,可以有效地模拟钢筋混凝土梁柱节点在快速加载情况下的应变率效应,数值分析得到的梁端荷载-位移骨架曲线以及节点组合体快速加载情况下的承载力与试验结果基本吻合;快速加载下,受混凝土和钢筋率敏感性的影响,钢筋混凝土梁柱节点组合体的承载力得到提高;在屈服荷载之前,有限元分析得到的梁柱节点组合体刚度略高于试验值。     

节点加强后钢筋混凝土梁柱节点剪切性能的二维有限元分析

本文以研究节点加强后钢筋混凝土(RC)梁柱节点的力学特性为目的,将加强情况、主筋与混凝土的粘结特性、节点的破坏模式以及裂缝模型作为参数,对RC梁柱节点进行二维有限元(2DFEM)分析,分别考察了节点的荷载变形特性、节点变形模式、混凝土的损伤和梁主筋的应变分布。试验和2DFEM分析表明,节点加强后能防止梁主筋的粘结滑移、减少并延缓节点混凝土的损伤,使RC节点由加强前的节点剪切破坏模式转变成梁端的弯曲破坏模式,从而提高RC梁柱节点的抗剪性能和延性。     

Fire response of exterior reinforced concrete beam-column subassemblages

Investigating the structural response of reinforced concrete beam-column sub-assemblies at elevated temperatures is the purpose of this paper. This goal was achieved by conducting the ISO-834 standard fire test on two identical one-third scaled reinforced concrete beam-column subassemblage test specimens. The test specimens, which each consisted of one reinforced concrete cantilever beam anchored at the mid-height of a reinforced concrete column, were installed together in a full scale furnace and subjected to downward and upward service loads, respectively. The fire compartment fully engulfed the cantilever beams (except the beams’ top face and the loading points), the beam-column connections and the lower columns. The fire test terminated after 74 min as soon as the tensile longitudinal steel bars of the upward-loaded cantilever beam attained the predefined critical temperature 530 °C. The lower columns exhibited partial concrete spalling and typical diagonal cracks appeared at the beam-column connections. Based on the recorded internal temperature distributions at the joint cores it was found that the material strength loss in the fire had insignificant impact on the load bearing mechanism of the joints. On the other hand, the gradual decrease in rotation capacity of the beam ends during the fire course considerably influenced the load-deflection relationship. A detailed numerical work has been carried out to simulate the response of the test specimens and will be published elsewhere.     

预制高强混凝土结构后浇整体式梁柱组合件抗震性能试验研究

采用足尺模型对比试验方法,对高强混凝土后浇整体式梁柱组合件和高强钢纤维混凝土后浇整体式梁柱组合件在低周反复荷载作用下的开裂破坏形态、滞回特性、骨架曲线、延性性能、强度与刚度退化特性、耗能能力、节点核心区域的剪切变形、梁端塑性铰与柱端的转动变形等进行了系统研究。结果表明:预制高强混凝土结构后浇整体式梁柱组合件与现浇高强混凝土结构梁柱组合件具有相同的抗震能力,采用高强钢纤维混凝土浇筑预制混凝土结构后浇节点,可以减小节点区域箍筋用量,改善节点承载性能。本文还给出了钢纤维混凝土节点开裂强度的简化计算公式,计算结果与试验结果吻合良好。     

钢筋套筒挤压连接装配整体式梁柱中节点抗震性能试验研究

为研究钢筋套筒挤压连接的装配整体式叠合梁-预制柱中节点的抗震性能,进行了2个装配整体式中节点和1个现浇中节点试件的拟静力试验,观察其破坏现象,研究其滞回性能、承载力、变形能力及钢筋应变发展过程。结果表明：所设计的核心区剪切破坏和梁端弯曲破坏节点均实现了预期的破坏形态;核心区剪切破坏的装配整体式梁柱节点与现浇对比节点的破坏过程、裂缝分布基本一致,滞回曲线、承载力、刚度、变形、耗能等性能指标基本相同;核心区剪切破坏、梁端弯曲破坏的装配整体式梁柱中节点的承载力试验值与相应的规范公式计算值的比值分别为1.62、1.31,等效极限层间位移角分别为1/26和1/27;试验结束后,凿开混凝土发现套筒没有出现裂纹,钢筋在套筒内未见滑移,套筒挤压接头可有效传递钢筋拉、压力。     

基于OpenSees的钢筋混凝土框架节点抗震性能影响因素分析

为了研究低周反复循环荷载作用下混凝土框架节点的抗震性能,本文采用有限元软件OpenSees对其进行数值模拟分析.主要研究了节点核心区混凝土非线性抗剪切性能、核心区梁柱纵筋锚固滑移性能、梁柱混凝土强度等级三方面因素对节点抗震性能的影响.通过对比分析,得出核心区梁柱纵筋锚固滑移性能对节点抗震性能影响最大;节点核心区混凝土应具有足够的抗剪切强度,但盲目的靠提高剪切性能寻求较好的节点抗震性能是没有意义的.核心区抗剪性能的提高应该和粘结强度提高及混凝土强度等级提高等其它因素结合起来,才能很好地提高混凝土框架节点的抗震性能;同时得出梁柱混凝土强度等级对节点抗震性能影响很小的结论.     

钢筋混凝土框架结构层间位移与构件变形关系研究

基于课题组已完成的钢筋混凝土3层3跨平面框架低周反复加载试验，以边(中)节点区域作为重点研究对象，分析了梁柱组合体中各种非线性局部变形引起的侧移在结构总层间变形中所占比例的变化规律。在此基础上，建立了构件局部变形与结构层间位移的转换关系。研究结果表明：对于发生“梁铰”破坏机制的框架结构，梁端转动对节点剪切变形的影响大于柱端转动，梁柱组合体作为整体共同承担结构的塑性变形；当结构整体位移角满足相应性能水平限值时，局部构件的变形仍有可能超限，简单利用单个构件的变形代表结构整体的变形是不合理的；对于破坏形式为“梁端弯曲破坏”的框架子结构，随着损伤加剧结构进入非弹性阶段后，梁变形成为层间位移的主要成分，柱变形引起的层间位移所占比例次之，节点剪切变形引起的层间位移所占比例最小；通过弹性理论分析，在塑性阶段引入塑性折减系数，推导建立的构件局部变形与结构层间位移转换关系式具有相对较高的精度，计算结果与试验实测数据基本吻合。     

Sources of elastic deformations in steel frame and framed-tube structures: Part 2: Detailed subassemblage models

This paper examines the accuracy of a set of equations for computing Displacement Participation Factors (DPFs) for beam-column subassemblages of steel moment resisting frame buildings. These factors allow the analyst to determine how the entire subassemblage or individual components of a subassemblage contribute to a given structural displacement. Additionally, the component’s contribution to displacement may be evaluated in terms of sources of axial, flexural, or shear deformation.When applied to a set of 12 isolated subassemblages, it was shown in Part 1 of the paper that deformations in the beam-column joint are very significant, and that flexural deformation in the joint, which is often ignored, should be considered in all analyses. The total displacement predicted through the use of the DPFs correlates extremely well with the results of detailed three dimensional finite element analyses of the same subassemblages. However, it was also shown that there is considerable uncertainty in the bending moments and moments of inertia that are used to compute joint flexural deformations.The objective of this paper, which is the second part of a two-part paper, is to further investigate the accuracy of the DPF expressions developed in Part 1. This is done by computing DPFs from the results of detailed three dimensional finite element analysis, and comparing these to those computed through the use of the simple expressions.The results of the analysis show that the joint flexural deformations are accurately predicted by the simple DPF expressions, but that this accuracy arises from compensating “errors” in the simplified analysis. It is also shown that the use of beam flange continuity plates has a marginal effect on computed displacements. The paper ends with recommendations for using the simplified expressions for computing subassemblage deformations, and for including such deformations in structural analysis of steel frame and tube structures.     

钢筋砼空间框架节点抗震性能的研究

本文提供了12个钢筋砼空间框架节点在双向反复荷载作用下的试验研究结果,其主要的研究参数是柱梁抗弯强度比值、约束构件尺寸(梁与板)、节点配筋、柱轴向力以及加荷过程。对节点的滞回特性和通过节点的梁筋与柱筋的滑移也进行了研究。在试验结果的基础上,提出了在地震型荷载作用下空间框架节点的设计建议,其中包括柱梁抗弯强度的最小比值、约束梁梁宽与柱宽的最小比值、节点抗剪强度的计算方法以及梁纵向钢筋在节点内的最小锚固长度。