钢筋混凝土T型节点位移极限仿真研究

摘要：在各种载荷工况下，对钢筋混凝土梁柱节点进行受力分析比较困难。为此，对梁柱节点的静力学特性进行了仿真分析。采用有限元对梁柱节点的整体进行了静力学分析和简化；利用ANSYS分析软件，依据有限元理论对实际结构进行了合理的力学简化；通过建模、材料属性、约束、加载等程序，利用APDL语言编程，对梁柱节点进行了载荷受力仿真分析，分析了整体结构变形和应力分布，并对其仿真模拟值进行了验证。研究结果表明:变形与应力仿真模拟值与ANSYSInc.模拟值和实测值三者的吻合度非常高，表明此种模拟计算方法契合实际钢筋混凝土节点，可靠性较高；该结果可以为此类构件进行优化奠定基础。

关键词：钢筋混凝土节点；ANSYS；有限元分析；极限位移实验

0引言

与传统的现浇建造方式相比，装配式结构具有施工质量好、全寿命消耗低等优势，被国际社会视为可持续发展的结构[1]。然而，传统装配式建筑的整体性和抗震性能较差，节点是结构破坏的核心部位，承受梁和柱传来的力，对建筑的整体结构的安全性和稳定性具有极其重要的作用[2]。目前对节点的结构性能仍有许多尚不明确的位置，由于实际实验需要花费大量的人力物力，本文通过ANSYS有限元模拟节点的位移状况，以期对节点的研究提供一种可借鉴参考的模拟方法[3-5]。本文针对T型梁柱节点连接在实验中的位移变形过程，利用ANSYS软件，在SC平台建立几何模型并利用APDL输入模型的材料参数，求出在实验过程中产生的最大应力和最大位移，同时校核整体结构，对钢筋混凝土T型节点进行仿真模拟研究[6]。

1实验过程

在实验的过程中，梁的上下面分别布设位移计；同时在钢筋上设置位移计和应变片。通过计算机采集应变片上的数据（如图1），模型的详细布置如图2所示。具体量测内容和方法如下：1）由于轴向压缩载荷的应用，在节点区域产生的主拉应力减小了，所以柱所受的轴向载荷对节点抗剪能力是有利的。梁右侧的自由端通过液压千斤顶加载来施加竖向位移；液压加载系统可以测得千斤顶的加载值，位移计可以测量梁自由端的位移。2）柱顶轴力通过液压千斤顶施加，施加的荷载通过其上的应变片全过程监测。开始对柱顶施加轴力到9480N时，保持荷载恒定。然后在右侧梁端施加沿Y负方向的位移，当加载至梁端位移为-8.0mm左右时，开始出现明显下弯段，试件达到屈服，记录此时梁端荷载和屈服位移Δy；继续施加位移，梁的左右侧面及底面逐渐出现因混凝土破坏而露出的箍筋和下部的纵筋。出现这种情况就可以大致说明梁已经丧失了其相应的承载力[7]。

2材料选择及其属性

材料选择非线性材料中的钢筋及普通材料中的混凝土；钢筋的弹性模量为190GPa，屈服强度为470MPa，切线模量为1000MPa。混凝土的各参数如表1所示，并以APDL语言输入。

2.1网格划分

将Programorder中的programcontrol设置为lenear，将尺寸大小Size设置为25mm，在Mesh中插入一个method，并将方法选择为multizone，再在Mesh中插入一个Size，选中所有的199条边，将尺寸同样设置为25mm，生成10174个节点和6824个单元。这时网格的平均质量为1，满足网格划分的精度要求，如图4所示。

2.2模型简化及约束条件设置

由于模型是对称结构，故在模拟时沿图中所示平面取一半的结构分析即可，如图5所示。模拟的总时间为2s，在柱的上端和下端分别施加约束，使构件在X方向上的位移为0，0~1s在柱子的上端沿Y方向逐渐施加由0N至-9480N的荷载，1~2s内使竖向荷载维持恒定。在柱的下端施加约束，在模拟时间段内使构件在Y方向上的位移为0。在1~2s时间段内，在梁端施加由0至-80mm的竖向位移。在该模拟中时间也可以等同视为步骤，对模拟结果并没有影响。

2.3实验数据

1）模型的总变形的云图如图6所示，其中梁端在1~2s时间段内发生最大的位移为89.112mm，柱的下端为最小位移0.296mm，柱的中部产生了5mm左右的位移。2）模型的钢筋等效塑性应变云图如图7所示。屈服准则选用VonMises屈服准则，梁的上部钢筋在1.1s左右时发生了屈服，在1.5s时塑性应变达到0.045，而后等效的塑性应变不再增长，表明构件发生了破坏。3）模型的钢筋等效应力云图如图8所示。在1.1s时应力急剧上升到500MPa，表明钢筋开始屈服，随后又平稳上升到约600MPa，此阶段为强化阶段，在1.5s后，应力呈现下降，表明构件已经丧失了承载力。4）选择analysissetting后插入probe，在该模块中选择Forcereaction，并选择对象为梁端的下边缘线。模型在梁端的位移和受力关系图是通过选中Forcereaction和Directionaldeformation后插入Chart生成，由于研究对象选取的是对称结构，且考虑到坐标轴的方向，则需要对结果乘以系数-2加以修正，结果如图9所示。

3对比结果

从对比结果（如图10）可以看出，本文仿真模拟值与ANSYSInc[9]的模拟值和与相关实验的实测值偏差仅为6%左右。模拟与实测值的偏差并不大，说明该建模的几何模型、约束的简化及加载过程都符合钢筋混凝土T型节点实验的实际情况。同时也可以确定本文的模拟仿真方法精确度比较高，但在弹性阶段实测值小于模拟值，存在的原因主要是以下两个方面：1）在Workbench仿真平台中的模拟所采用的钢筋和混凝土都是理论的截面大小，实际模型中的材料尺寸和相关参数都存在着一定的偏差[8]；2）钢筋混凝土T型节点接头处存在焊接连接，Workbench仿真平台中的连接大都采用固定连接，不同的连接方式会导致仿真模拟值与实验的实测值中的结果差异。而有限元模拟结果中，当扩张宽度为300～390μm时，缝合线拉力范围为43.5～57.3mN，分布于实验结果范围内。因此通过参考扩张宽度结合拉力-扩张宽度关系可以给出缝合线拉力的对应范围，获取量化的拉力值。

4结论

本文针对当前无法直接测量缝合线拉力的问题，应用有限元法模拟了CP中缝合线扩张SC和TM的过程，求解了缝合线拉力与组织扩张宽度的量化关系。建立了实时缝合线拉力测量平台，在猪眼组织中完成了缝合线扩张操作，测量缝合线上实时张紧力与组织扩张的实验数据，获得拉力-扩张宽度曲线，实验结果与仿真结果呈现相同趋势。该量化关系，可预测相应拉力下组织扩张情况，缩短医生学习曲线，提高手术精准性。

作者:胡金辉 孙颖娜 张丽娜 申智鹏 李赞 王宁 庞傲璇 单位:黑龙江大学