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罗小勇,郝长,丫Ou,双盾, ”研究预制钢筋混凝土梁柱节点的有限元模型与灌浆袖子”,土木工程的发展, 卷。2021年, 文章的ID5553820, 15 页面, 2021年。 https://doi.org/10.1155/2021/5553820
研究预制钢筋混凝土梁柱节点的有限元模型与灌浆袖子
小勇罗
,1,2
郝长,1,2
丫你,3
和
双盾1
1长沙中南大学土木工程学院,41000年,中国
2长沙湖南预制建筑工程技术研究中心,41000年,中国
3土木工程学院,中南林业科技大学41000年长沙,中国
文摘
基于灌浆套筒的单调拉伸试验标本,本文采用多因素回归分析建立的等效本构关系灌浆套筒试样在单轴拉伸。研究基于这种本构关系的灌浆袖子,债券和钢筋和混凝土之间滑移的影响被认为是。预制钢筋的钢筋混凝土梁柱节点的灌浆与有限元软件ABAQUS袖子了。预制钢筋的钢筋混凝土梁柱节点的抗震性能与低频循环荷载作用下灌浆袖子被调查。此外,通过有限元分析参数研究进行检查各种参数的影响强度和能量耗散能力的标本。仿真结果表明,塑性变形主要是观察附近的梁柱界面;这个关节的滞回曲线丰满。测试结果表明,良好的能量耗散和位移延性能力可以实现。之间的屈服载荷误差数值模拟和实验结果是7.11%,峰值负载的误差为6.88%,误差极限荷载的3.76%,位移延性的误差为7.84%。结果表明,本文计算结果与测试结果的引用。 The finite element model adopted in this paper can reflect the seismic behavior of the prefabricated reinforced concrete beam-column joints with grouted sleeves by using equivalent constitutive relation.
1。介绍
建设与预制混凝土(PC)方法收集关注作为公约的替换现浇混凝土结构因其质量好,成本效益,加快施工速度,降低能源消耗1- - - - - -4]。然而,可靠性相对较低,成本高的连接,和低抗震性能的PC结构限制了它们的进一步应用(3]。PC结构的抗震性能主要取决于连接类型,不同的预制成员之间连接的可靠性,这种安排的预制成员和现浇混凝土5,6]。迄今为止,许多研究已经进行预制混凝土构件之间的连接。主要用于连接包括传统搭接连接,搭接连接,改善和灌浆套筒连接。传统搭接连接,如机械连接、焊接连接,和搭接连接,已广泛用于现浇混凝土结构。然而,即使再搭接长度比其他连接类型,传统的搭接接头的抗震性能仍相对较低的短期债券,因为强度(7,8]。此外,预制组件之间的连接钢筋的复杂性也阻碍了预制混凝土结构的广泛应用。在过去的几十年里,做了更多的工作来解决的问题联系在预制混凝土框架由不同的人员(9]。
在所有的连接,灌浆套筒增加了它的受欢迎程度在个人电脑行业由于其简单性和方便施工。灌浆套筒有效解决与预制混凝土共同连接组件的技术问题(10]。完全灌浆套筒和semigrouted套筒灌浆袖子的两种主要类型,而semigrouted一个更常用的实践(11]。semigrouted套筒两端:一端与线程和预制安装部分的螺纹钢筋,另一端是普通的螺纹钢postcast套筒。后两部分放置在袖子,高强灌浆将套筒和预制和postcast部分相连。
预制混凝土框架的抗震性能明显不同与传统现浇钢筋混凝土,因为预制和postcast灌浆混凝土部分相连的袖子代替钢筋。广泛的实验和数值研究工作已经完成灌浆套筒连接的抗震性能。有两种广泛使用的方法来模拟灌浆袖子的结构:第一个使用固体元素模型的所有连接组件(12- - - - - -14)是准确的,但相当高的计算工作和其他方法假设套筒连接总是可靠,模型和钢筋套筒(15];该方法计算效率和操作方便,但它不能捕获实际的力量套筒,套筒接头的影响整个结构。因此,仿真结果往往不够精确。此外,在当前的模拟,在新浇混凝土界面的影响和现有混凝土通常是忽略了,这也可能减少仿真精度。
摘要灌浆套筒连接的拉伸本构关系是首先使用多因素线性构造在抗拔试验结果统计分析。然后,这个关系应用于预制梁柱接头的有限元模型与灌浆袖子,和的影响上的新鲜和硬化混凝土界面联合也考虑。结果表明,仿真与实验结果契合,所以精细有限元模型基于等效灌浆套筒本构关系能够准确地捕捉连接接头的抗震性能。
2。单轴拉伸试验和灌浆套筒钢筋等效本构关系
2.1。单轴拉伸测试结果和分析
灌浆套筒的strain-stress关系首先收到根据拉拔力试验结果由刘et al。16]。26拉拔力测试已经完成的灌浆袖子的拉伸本构关系。袖子是由铸铁或钢和拉拔力测试是由100 kN万能试验机以一个恒定加载速度1 kN / s;几个典型的应力-应变曲线的灌浆袖子被选中,如图1。它可以发现灌浆套筒接头的拉伸行为标本相似钢铁,首先一个线性增长阶段,其次是收益率高原,然后达到极限强度和失败。灌浆套筒接头在测试的细节表中列出1。根据测试结果的观察,本构关系的参数,可能会影响灌浆套筒接头包括钢筋的直径d,袖子的长度 ,灌浆段的长度 ,套的外径 ,套管的内径 ,钢筋屈服强度、极限强度增强;灌浆套筒的细节图所示2。基于实验结果,灌浆套筒接头的等效本构关系提出了类似于钢筋。
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联合号:第一个数字“1”代表钢铁和“2”代表铸铁,第二个数字代表的直径钢,第三个数字代表了锚固长度,最后一个数字“1∼3”表示三个重复样本;如果有一个“s”之前最后一个数字,它代表了钢套筒偏心放置。例如,“1-16-100-1”代表第一个钢套管试样直径16毫米和100毫米的锚固长度。 |
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(一)
(b)
2.2。钢筋的等效本构关系与灌浆套筒接头
作为讨论的部分2.1、灌浆套筒接头标本有相似的特征的强化;因此,选择三线性本构模型来模拟钢筋接头与灌浆套筒在单轴拉伸下,如图3。在图3,点A和C点等效屈服点和极限载荷的灌浆套筒,分别;线段AB的产量高原灌浆套筒。
2.3。特征点参数的值
特征点∼C灌浆套筒接头的三线性本构模型是决定基于统计分析使用统计软件SPSS strain-stress数据;结果列在表中2和3。中考虑的参数分析包括锚固长度、屈服应变、钢筋的直径,套管的总长度,外径的套管,套管的内径,钢筋的直径。价值t在表中2和3代表了检验统计量的回归系数,sig,相关的概率值,压力在特征点的意义是钢筋的屈服强度 ,在特征点和压力越来越钢筋屈服强度的函数。钢筋的屈服强度被选为一个独立的变量进行多元回归;结果如表所示4。拟合优度广场(R2)是0.668,统计F= 19.338,相关的概率值团体。= 0.00,回归相对显著,拟合结果如图所示
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表5显示了在每个特征点拟合结果的应变;同样,其他特征点的结果可以得到如下方程所示:
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3所示。有限元模型的验证与灌浆袖子预制梁柱接头
3.1。测试的细节
罚款有限元模型基础上建立了灌浆套筒接头拔出试验模拟低频循环测试连接连接,如图4和5。测试中,预制梁和柱两端被灌浆套筒连接,然后使用postcast混凝土连接作为一个整体。样品的大小和强化细节图所示4。设计了轴向载荷比为0.3,预制混凝土设计强度等级的成员是C30(抗压强度= 30 MPa), postcast混凝土的设计强度等级是C40(抗压强度= 40 MPa),梁和柱的纵向增援HRB335, HPB300和箍筋。材料的力学参数在表列出了标本6。确保钢筋的粘结和锚固强度,套管的直径40毫米,袖子的长度是159毫米,灌浆段的长度是110毫米,灌浆混凝土保护层厚度的袖子是20毫米,和钢筋的混凝土保护层厚度是34毫米。这个测试的加载条件(17)如图5,底部的标本被定向铰链固定,水平运动的标本被一杆约束。垂直加载应用的伺服机列结束。力的控制是首先使用,后方案如图5直到样品产量(18(第一次在骨架曲线出现拐点时);然后,位移控制调整,屈服位移grade-distinction,每个grade-distinction两次循环荷载。测试结束后,当负载下降到低于85%的峰值负载。在图5,是屈服载荷,是加载位移的列头,是产生位移。失效模式、变形能力、耗能能力、延性、和其他参数的连接关节的postcast混凝土灌浆套筒进行了分析。
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3.2。精细的有限元建模
3.2.1之上。材料本构模型
有限元分析的混凝土损伤塑性模型是用于混凝土;和强化行为建模为双线性,弹性阶段的斜率作为钢的弹性模量和污水塑性阶段的0.01,屈服强度和极限强度是材料获得的测试。灌浆套筒本构模型采用等效本构模型提出了方程(1)∼(5)。
3.2.2。钢筋混凝土的粘结滑移
春天被用来模拟混凝土之间的债券和滑动和纵向钢筋轴向弹簧刚度是由Eligehausen模型(19]。钢筋径向弹簧元件的主要模拟销行动和强化的垂直位移节点箍筋和混凝土节点,它有一个低影响纵向钢筋混凝土之间的粘结滑移。的最大钢铁和混凝土弹性模量作为弹簧刚度沿径向方向的钢筋;本文沿着纵向钢筋弹簧之间的空间将是50毫米。
3.2.3。模拟预制和Postcast混凝土界面
刘和赵20.)、张(21)发现与预制混凝土的极限抗拉强度和postcast界面只有80%的普通混凝土的抗拉强度投一次作为一个整体,并且负载达到极限荷载之后迅速下降。理想弹塑性模型的压缩行为被假定为混凝土钢筋界面,极限抗压强度是混凝土的抗压强度。因此,联合弹簧的正常力-位移关系图所示6。
大量的实验研究进行了预制桩和postcast无侧限混凝土界面抗剪强度;在界面的抗剪强度主要由三部分组成:在混凝土内部凝聚力,摩擦力和钢筋剪切阻力。风扇(22)建立了界面剪切强度的公式在预制和postcast混凝土界面后综合考虑几个因素影响界面的剪切强度,如方程所示(6),然后通过回归分析确定计算参数。弹簧的切向力-位移关系元素可以得到方程相关参数测试:
3.2.4。元素选择
摘要eight-node六面体的(砖)元素(C3D8R)是用于混凝土、双节点线性桁架元素(T3D2)用于模型增援部队(23),灌浆套筒关节被非线性弹簧模拟,和切向和正常连接预制和postcasting混凝土界面被非线性弹簧单元模拟。有限元模型如图7。弹簧的非线性关系反映在各自的力-位移曲线(F-D)。F-D曲线计算正常的本构和切线本构的预制和postcasting混凝土界面。
(一)
(b)
3.3。灌浆套筒接头的仿真验证
3.3.1。失效模式和裂缝发展
低频循环荷载作用下试件加载。在加载的初始阶段,力在核心区域的梁柱接头符合Strut-and-Tie模型如图8(一个)。混凝土压碎附近首先发生在梁端的核心区域,如图8 (b)。负载到达裂纹负载时,由于不均匀分布梁刚度结束,垂直裂缝出现在灌浆套筒结束之间的接口和连接接头。混凝土梁的一端坠毁后,梁的力急剧减少,和力量结构主要是由钢框架和混凝土柱;压力在核心区域的梁柱接头不再遵循Strut-and-Tie模型。随着荷载的增加,裂纹逐渐扩展到梁的中间部分。当载荷达到30 kN,裂纹梁的高度发展,斜裂缝出现在核心区域。测试结束,裂缝主要分布在梁柱界面,灌浆套筒的两端,该地区在500毫米的列。混凝土梁的一端产生后,核心箍筋的应力大幅增加,达到屈服应力,如图8 (d)。当加载峰值位移时,大多数核心箍筋屈服,和梁的应力相对较小;进入破坏阶段,结构和毁灭性的失败发生在混凝土梁结束。有限元仿真成功地抓住了破解发展的结构、模型和失效模式相同的测试,如图9。
(一)
(b)
(c)
(d)
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
3.3.2。承载力和延性
骨架曲线的有限元模拟和测试连接关节的预制混凝土结构灌浆套筒接头是如图10。升段的数值模拟结果的骨架曲线与实验结果和数值模拟的初始刚度和峰值负载接近测试结果。然而,随着灌浆套筒的塑性损伤模型中不被认为是在骨架曲线下降段,数值模拟的载荷能力小于测试结果。屈服载荷、屈服位移峰值负载,峰值位移、极限载荷和极限位移的数值模型如表所示7。在表7位移延性系数的标本(24)的比例计算最终的位移产生的位移,也就是说, 。有限元仿真结果之间的差异和样本的测试结果在8%;可以有效地模拟结构的承载力;屈服载荷的模拟误差、峰值负载和极限荷载是7.11%,3.76%,和4.72%,分别和位移延性系数的误差为7.84%。所以,仿真可以捕获实验的结果很好。
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骨架曲线的极限位移:既然不减少85%的最大承载力,相对应的位移最大承载力的90%作为最终的位移。 |
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3.3.3。荷载位移滞回曲线
有限元模型的滞回曲线和测试postcast混凝土与灌浆套筒连接关节关节如图11,结果如表所示8。对比分析和实验的结果表明,有限元分析得到的滞回曲线分析非常相似。滞回曲线的形状比较丰满,这表明,预制梁柱接头与灌浆套筒接头具有较高的能源消耗能力。
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磁滞回线面积:区域的磁滞回线,分别代表了领域第一位移加载时滞循环40毫米,45毫米,和50 mm,代表了能源消费能力。 |
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因为春天的元素和钢桁架元素模拟套管不能在有限元分析中定义循环荷载下的本构关系,应用转发负载时,有限元仿真结果比测试结果低3.76%,滞后曲线包围的面积相对较小,当负载逆转,从有限元模拟和负载能力测试低于13.23%。在加载后期阶段,有限元模型需要考虑粘结滑移效应,磁滞回线类似于试样和往往是拱形的,它可以从表中的磁滞回线面积比8组件的能量耗散能力错误是相对较小的,当接近失败。
3.3.4。在灌浆套筒的联合
灌浆套筒的应变测量,如图12。图13显示压力值的最大循环荷载时灌浆套筒接头处于拉伸状态。在图13,是加载位移,是产生位移。在初始加载阶段,轴向应变的灌浆套筒和灌浆套筒的两端钢筋应变基本上是相同的。由于灌浆套筒部分的刚度大,梁的载荷转移结束通过灌浆套筒部分钢筋,钢筋在灌浆套筒的两端关节产生,随着荷载的增加,压力灌浆套筒的两端(测量分C和D,如图12)附近的核心节点增加明显。因此,应变增加的部分有一个很大的弯矩梁结束;然而,灌浆套筒一直保持在弹性阶段,灌浆套筒的压力也与实验结果相似。
(一)
(b)
4所示。参数研究
的基础上,开发了有限元模型的准确性,本节提出了一种参数调查(25如表所示9研究不同的设计变量的影响(套管的直径;袖子的长度;和灌浆段的长度)的连接性能。JD-1模型被选为控制标本参数分析。简要描述每个模型的变量进行调整,结果进行了讨论。的关键特性比较集中在骨架曲线。表10列出了骨架曲线的特征值。
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4.1。套筒外径的效果
套的外径JD-1, JD-2, JD-3 40毫米,44毫米,和48毫米;其他参数都是相同的。图14显示了骨架曲线的梁柱节点具有不同外径的袖子。曲线的比较表明,该套筒的外部直径有显著影响的骨架曲线。表10表明,当外部套管的直径从40毫米增加到44毫米,发现极限承载力增加了2.39%,相比之下,位移延性系数的降低6.68%;当套管外径的增加从44毫米至48毫米,发现极限承载力降低了8.87%,和位移延性系数降低了23.87%。随着外部套管的直径的增加,峰值承载力和刚度有明显增加,位移延性系数的下降。在一定的范围内,极限承载力随套的外径的增加;直径超过一定值时,极限承载力的下降。
4.2。灌浆段长度的影响
JD-1灌浆段的长度,JD-4,和JD-5是110毫米,100毫米,130毫米;其他参数都是相同的。图15显示了骨架曲线的梁柱节点具有不同灌浆段的长度。图15表明,灌浆段的长度对骨架曲线没有明显的影响。灌浆段的长度的增加会导致峰值承载力略有增加,和极限承载力基本没有变化。表10表明当灌浆段的长度增加从100毫米到110毫米或130毫米,发现极限承载力提高0.03%和0.81%,分别。此外,当灌浆段的长度增加从100毫米到110毫米或130毫米,延性的标本没有显著变化。
4.3。袖子长度的影响
JD-6 JD-1的袖子的长度,和JD-7是159毫米,150毫米,143毫米;其他参数都是相同的。图16显示了梁柱节点的骨架曲线和不同长度的袖子。图16表明,袖子的长度对峰值承载力没有明显的影响。随着套管长度增加,初始刚度有明显的减少。表10表明,当套管的长度减少从159毫米到150毫米或143毫米,发现极限承载力降低0.78%和6.31%,分别。此外,当袖长减少的长度从159毫米到150毫米或143毫米,表10表明,套管长度的长度对延性的影响不大。
5。结论
本文构造一个等效本构关系的套筒灌浆关节,和预制梁柱接头的有限元模型建立了灌浆套筒接头用非线性弹簧元件。此外,债券和钢筋混凝土之间滑移和预制和postcast混凝土界面的影响接头性能也认为,和实验结果与现有的研究结果。主要结论如下:(1)单向拉伸载荷下的等效本构模型是构建基于数据的分类和分析从单调拉伸试验获得的灌浆套筒关节标本。本构模型的影响因素是通过统计分析软件,获得的压力灌浆套筒与钢筋的屈服强度显著相关,应变是显著相关的屈服应变强化和钢筋的锚固长度。此外,相关影响因素的参数选择。(2)骨折形态、开发过程、失效模式标本,和压力灌浆套筒的有限元模型的加载过程大致相同的实验,验证了等效本构的结构灌浆套筒接头和仿真方法。(3)屈服载荷的差异、峰值负载和极限载荷有限元模型和测试之间的7.11%,3.76%,和4.72%,分别。结构是接近失败时,骨架曲线开始下降,这也是类似的实验。(4)有限元模型的滞回曲线也类似于往往是拱形的试样。信封的错误滞后环面积反映能量耗散能力也低于13%,在加载后期阶段,由于塑料套筒的损害无法定义。(5)本文基于非线性弹簧元件的等效本构方法定义。与固体元素模拟相比,这种方法不仅大大减少了有限元软件的计算时间,还有效地避免了复杂的套建模和收敛性问题,这是有意义的灌浆套筒模拟。(6)有限元参数分析结果表明,套管的外径对抗震性能有显著的影响。随着外部套管的直径的增加,承载能力和刚度显著增加,韧性降低。灌浆段长度对抗震性能的影响不大。增加套管长度的长度可以提高试件的承载力和刚度,但延性降低,承载能力迅速下降。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者欣然承认金融支持这项研究的应用基础研究项目中国13日五年计划(2016 yfc0701705-1)。
引用
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