钢筋混凝土节点弹塑性有限元分析

2021-03-31贾孟宗

四川建筑 2021年1期

贾孟宗，赵昊

(西南交通大学，四川成都 610031)

梁柱节点是钢筋混凝土结构中的重要部位，其受力复杂，是结构的薄弱环节[1]。高向玲[2]针对装配式混凝土框架节点进行了力学性能试验，龙思宇[3]设计了一组型钢混凝土异型节点模型，研究了不同轴压比对异型节点承载能力的影响。

对RC节点建立合理可靠的弹塑性有限元模型是进一步开展结构非线性数值分析的关键[4]。因此本文基于有限元软件ABAQUS对一典型钢筋混凝土梁柱节点进行了有限元模拟，合理处理钢筋与混凝土之间的连接方式，并针对不同单元类型和网格尺寸进行了对比分析。

1 节点模型

1.1 模型尺寸

如图1所示结构由混凝土梁、柱构成。柱下端固定，顶端承受10 kN竖向荷载，梁右端承受10 kN竖向荷载，结构考虑重力作用；钢筋配置根据GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》[5]计算得出，纵筋配置2A8，箍筋配置A6@150，满足18 G901-1《混凝土结构施工钢筋排布规则与构造详图》[6]中的构造要求。混凝土、钢筋的强度指标和尺寸如表1所示。

图1 梁、柱尺寸示意(单位:mm)

1.2 有限元模型

为了简化计算过程，本文中采用了图2所示的钢筋-混凝土模型；有限元模型及荷载分布如图3所示；钢筋采用T3D2(两节点线性三维桁架单元)，混凝土分别采用C3D10(十节点二次四面体单元)、C3D8R单元进行模拟，网格尺寸为5 cm和2 cm两种，材料模型参数如表2所示。

表1 混凝土、钢筋材料

图2 梁柱配筋示意(单位:m)

图3 荷载及边界

表2 材料模型参数

图4 Embedded描述示意

钢筋与混凝土的连接方式为Embedded。关于Embedded Elements的描述如图4所示：单元3(Truss)和单元4(Membrane)嵌入单元1和单元2中。单元1由节点a～h组成；单元2由节点e ～ l组成；单元3由节点A和节点B组成；单元4由节点C～F组成。如果主单元集包含单元1和单元2，嵌入单元集包含单元3和单元4，Abaqus将尝试查找主集单元1或单元2中是否存在任何嵌入式节点(A～F)。如果发现节点A靠近单元1的a-b-f-e面，则节点A的所有自由度都约束到节点a、b、f、e，并根据节点A在单元1中的几何位置确定适当的权重因子。类似地，如果发现节点B位于单元1内部，节点E位于单元2的g-k边缘附近，则节点B处地的所有自由度约束到节点a～h，节点E的所有自由度都约束到节点g和k，适当的权重因子分别根据单元1中节点B的几何位置和单元2中g-k边缘上节点E的几何位置确定。

必须确保所需嵌入单元上的所有节点都被适当地约束到主单元集中的节点上，这可以通过执行数据检查分析进行验证。对于每个嵌入的节点，在数据检查分析期间，用于约束该节点列表以及相关联的权重因子将输出到数据文件。

2 结果分析

针对四种模型分别绘制混凝土、钢筋的整体、局部Von.Mises应力云图，如图5所示；应力统计结果如表3所示。

图5 钢筋、混凝土Mises应力云

3 结论

(1)在实际的钢筋混凝土结构中，由于水泥胶体与钢筋表面之间存在着胶结力、表面握裹力、机械咬合力作用，两者之间具有可靠的连接作用。而ABAQUS中Embedded 单元通过自动的判断内置区域钢筋(Truss)单元节点与主体混凝土(Solid3D)单元之间的几何关系而约束内置单元的全部自由度，因此采用Embedded 单元来处理钢筋混凝土之间的连接是合理的。

(2)总体来说，网格尺寸趋向于0时，有限元数值解将收敛于精确解，但随着单元数增加，计算成本大大提高，耗时耗力。如何选择合理的单元尺寸，仍然是有限元计算中不可忽视的问题。