﻿ 基于ABAQUS的钢筋混凝土柱墩双塑性铰研究

基于ABAQUS的钢筋混凝土柱墩双塑性铰研究Research on Double Plastic Hinges of Reinforced Concrete Pier Based on ABAQUS

Abstract: In order to study the seismic performance of reinforced concrete column piers, the horizontal two-way reciprocating pseudo-static test of box-section concrete column piers was carried out. The finite element analysis software of ABAQUS was used to simulate the pushover performance based on the PQ-Fiber subroutine. The simulation results were basically consistent with the experiment results. Partial reinforcement is cut off on the basis of the experiment, and the model analysis of the double plastic hinges is carried out, which shows that the double plastic hinges can be formed on the column pier. The skeleton curves, hysteresis curves and strain curves of the single and double plastic hinges piers are compared. It shows that the double plastic hinges improve the ultimate deformation capacity of the pier, and the seismic capacity of the pier is enhanced.

1. 引言

2. 实验模型

2.1. 截面设计

2.2. 加载方式

Figure 1. Cross-section reinforcement

Table 1. Mechanical parameters of concrete (mpa)

3. 基于ABAQUS的数值模拟

3.1. 混凝土材料本构模型

3.1.1. 受压本构

ABAQUS提供了三种自带的混凝土模型，本文采用能模拟往复加载的塑性损伤模型(Concrete Damage Plasticity)，混凝土的应力应变关系曲线多种多样，选用我国规范(GB 50010-2010)本构 [6] ，由80年代早期清华大学过镇海等人提出的计算式能较好的用于ABAQUS模拟。其受压曲线表达式如下：

$y=\frac{x}{{a}_{d}\left(x-1\right)2+x}$

$\begin{array}{l}{\epsilon }_{d}=\left(700+172{f}_{ck}^{0.5}\right)*{10}^{-6}\\ {\alpha }_{a}=2.4-0.0125{f}_{ck}\\ {\alpha }_{d}=0.157{f}_{ck}^{0.785}-0.905\end{array}$

Table 2. Compressive constitutive parameters of concrete (unit: Mpa)

3.1.2. 受压损伤因子dc

${W}_{0}^{e}=\frac{{\sigma }^{2}}{2{E}^{0}}$

${W}_{d}^{e}=\frac{{{\sigma }^{\prime }}^{2}}{2{E}_{d}}$

3.1.3. 受拉本构

ABAQUS中提供了3种定义混凝土单轴受拉应力–应变关系的接口，包括应力–开裂应变关系；应力–裂缝宽度关系；直接输入受拉断裂能。由混凝土断裂能准则可以看出混凝土的应力–开裂应变关系与单元尺寸有关，网格大小不同时，应力应变关系也不同，本文通过建模分析时发现钢筋应变达到0.066作为柱的破坏准则。因此，为减少建模工作量及结果分析的准确性，采用直接输入断裂能，按欧洲规范CEB-FIP MC90 [9] 建议计算：

${G}_{f}=\alpha {\left(0.1{f}_{c}\right)}^{0.7}$

3.1.4. 其他参数

Table 3. Concrete plastic properties parameters

3.2.钢筋本构

3.3. 模型的建立

4. 双塑性铰位置分析

Figure 4. Finite element model

A2设计截面 B2设计截面

Figure 5. Double plastic hinges design section

Table 4. Column design parameters

4.1. 应变曲线

Figure 6. Comparison of plastic hinge strain values between double plastic hinges and column bottom

4.2. 混凝土应力云图

A1桥墩混凝土应力云图 A2桥墩混凝土应力云图 B1桥墩混凝土应力云图 B2桥墩混凝土应力云图

Figure 7. Plastic hinged stress cloud diagram of double plastic hinges and column bottom

5. 模拟结果与实验结果对比分析

5.1. 滞回曲线

Figure 8. Comparison of double plastic hinges and hysteresis curve at the bottom of the column

5.2. 骨架曲线

Figure 9. Comparison of double plastic hinges and plastic hinge frame at the bottom of the column

6. 结论

1) 通过有限元计算与实验结果比较，ABAQUS计算所得的滞回曲线、骨架曲线与实验大致吻合，表明通过本文建立的非线性有限元模型能较好地反映钢筋混凝土墩柱的受力性能。

2) 通过设计截断钢筋截面的不同的位置、数量和配筋率，表明可以在混凝土柱墩底部形成两个塑性铰。

3) 通过对比单双塑性铰柱墩，结果表明在墩底形成双塑性铰的情况下桥墩具有更好的极限变形能力，混凝土柱墩的抗震性能得到增强，但极限承载力无明显变化。

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