纤维增强水泥基材料增强局部破损框架节点的抗震性能研究

王金玉琳，张品乐，胡静

（昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650500）

关键字：ECC材料；框架节点；局部加固；抗震性能；数值模拟

0 前言

钢筋混凝土框架结构作为高层建筑结构的主要体系之一[1]，框架结构构件在地震作用下因其受力情况复杂多样而出现严重的建筑破坏和结构倒塌破坏。历次震后统计调查中发现，框架构件中大部分柱端或节点核心区出现了严重的塑性铰和破坏[2]，这直接影响框架结构的抗震性能。为改善框架节点的抗震性能，French等[3]采用压力灌环氧树脂法和真空注环氧树脂法对开裂节点进行加固，取得了较好的承载力提高效果。曹忠民等[4]采用高强钢铰线网片-聚合物砂浆对空间RC框架节点进行加固，结果表明，加固后的结构极限承载力较未加固时提高了19%。邓明科等[5]将纤维增强水泥基复合材料（ECC）应用于受损砖墙加固中，明显改善了砖墙的抗震性能。尽管前述的加固研究都能取得承载力或变形能力的提高，但很难在承载力和变形能力2个方面都取得理想结果。

ECC具有优异的抗拉、压、剪等性能，是提高结构抗震能力的理想材料。吴畅[6]和许准[7]开展了针对传统混凝土框架构件与基于ECC材料的框架构件力学性能试验，研究均表明，基于ECC材料的框架构件在极限承载力、延性和耗能能力等方面具有明显的抗震潜力。然而，目前比较缺乏ECC材料在破损框架节点加固中的应用和研究。

因此，本文拟采用ECC材料加固结构的梁端与柱端的塑性铰区域，以此研究ECC加固框架节点的抗震性能。首先采用ABAQUS软件中的塑性损伤模型建立框架节点并与试验结果对比，验证了模型的可靠性。进而针对破损节点制定了2种加固方案，并进行相应的加固数值模拟，通过对比加固结果，分析ECC加固破损框架节点的力学行为和加固效果。

1 框架节点数值分析

1.1 试验概述

本文选用文献[8]中的一层框架F0，该框架结构混凝土强度等级为C30，对应的钢筋力学性能如表1所示，具体的构件截面尺寸如图1所示。

表1 钢筋的力学性能

图1 试件尺寸示意

试验加载装置如图2所示，采用液压千斤顶施加竖向荷载，当竖向力达到稳定值后由电液伺服作动器施加横向循环位移荷载，先对框架进行循环力加载，加载到框架屈服时采用往复循环位移加载，并在每次位移量下经历3个循环，当荷载降低至最大荷载的85%时停止试验。

图2 试验加载装置示意

1.2 有限元模型

研究基于ABAQUS软件，采用分离式建模方式建立上述框架节点模型，即分别采用C3D8R缩减积分单元和2节点T3D2桁架单元模拟混凝土和钢筋构件，并采用程序中的嵌入式命令将钢筋内置于混凝土实体单元中。其中混凝土采用ABAQUS软件中的塑性损伤模型进行模拟，混凝土受压本构关系如下所示：

式中：E0、Eci——分别为初始弹性模量和切线变形模量，MPa；

εc——受压应变；

εck——峰值应力对应的受压应变；

fck——抗压强度，MPa；

leq——单元特征长度，mm；

b——比值系数，本文取0.9；

Gc——受压破碎断裂能，N/mm。

混凝土受拉本构参考文献[9]中的指数软化本构关系，具体如下所示：

式中：w——开裂位移，mm；

ftm——抗拉强度，MPa；

c——软化参数，与混凝土强度等级有关，按式（6）计算。

对于损伤参数，已有研究[9]建议选用能量等价模型进行计算，其表达式如下所示：

式中：k=c，t——分别表示受压和受拉状态；

σk——应力，MPa；

εk——应变。

混凝土塑性损伤模型中的膨胀角ψ、偏心率e、粘性系数v、双轴初始受压屈服应力与单轴初始受压屈服应力比fb0/fc0、不变应力比K取值如表2所示[10]。

表2 塑性损伤的模型参数

根据已有研究[11]，可采用修正的钢筋本构来综合模拟钢筋自身的力学特性和钢筋与混凝土的粘结滑移特性，本文采用文献[12]中修正的钢筋滞回本构模型（见图3）来考虑因钢筋与混凝土间粘结滑移影响而导致的刚度及强度退化。

图3 钢筋滞回本构模型

研究采用50 mm的网格分别对混凝土与钢筋部件进行单元离散，如图4所示。根据实际加载情况对节点模型底部施加固定约束，在两柱顶端部施加竖直向下的均布荷载（1.92 MPa），然后在左侧梁端形心位置施加水平方向的力与位移循环荷载，每个加载级循环2次，具体加载制度如图5所示。

图4 有限元模型网格

图5 加载制度

1.3 模型验证

以混凝土受拉损伤结果DAMAGET来评价混凝土的裂缝状态，图6为整体框架节点构件破坏与损伤云图对比。

图6 整体框架节点构件破坏与损伤云图对比

由图6可知，数值模型的受拉、受压损伤分布主要集中在底部柱脚、上部节点核心区及其与之连接的梁端，与整体构件的破坏特征比较吻合。同时提取了局部节点破坏云图与试验中的2个关键局部节点破坏细节对比，如图7所示。试验与模拟的荷载-位移曲线如图8所示。

图7 节点破坏细节与损伤云图对比

图8 荷载-位移曲线

由图7、图8可见，数值模型较好地反映了构件局部破坏特征；试验与模拟的荷载-位移曲线整体形态吻合较好，其承载力和滞回耗能具有较好的一致性。综合破坏模式与荷载-位移曲线，验证了数值模拟的可靠性。

2 ECC加固破损框架节点数值模拟

2.1 ECC材料模拟

由于ECC与混凝土具有相近的力学特性，故研究也采用混凝土塑性损伤模型模拟ECC材料。制备ECC的主要原材料为：P·O42.5水泥、标准石英砂、Ⅰ级粉煤灰、聚羧酸高效减水剂和Kuraray公司生产的PVA纤维，其主要技术性能见表3[13]。ECC材料具体的配合比见表4[13]，通过优化后的ECC材料的极限拉伸应变达到3.8%。塑性损伤模型参数见文献[10]，如表2所示。常用的ECC材料拉伸本构关系主要有两段线性函数[14]和三段线性函数[15]形式，为简便，受拉行为采用已有研究[16]的处理方式。而ECC的受压应力-非弹性应变曲线采用Feenstra和Borst[17]中的抛物线模型，ECC的损伤参数按照式（7）计算。

表3 PVA纤维的主要技术性能

表4 ECC材料的质量配合比

2.2 加固方案确定

为了改善框架节点的抗震性能，本文采用28 d抗压强度为35 MPa的ECC材料对破损节点区域进行局部替换加固，根据混凝土的受拉损伤程度设定了2种加固方案：方案1针对拉伸损伤在0.90~1.00的区域加固，主要集中在柱底塑性铰位置、节点区域及与节点相连接的梁端和柱端塑性区，如图9（a）所示；方案2针对拉伸损伤在0.75~1.00的区域加固，如图9（b）所示。

图9 加固方案确定

3 结果分析

图10为2种加固方案的滞回曲线和骨架曲线。

由图10（a）、（b）可知，2种加固方案均有效改善了损伤节点的抗震性能，其中加固方案2的滞回环相对方案1更加饱满，说明方案2的耗能能力更加突出，能够耗散更多的地震输入能，有利于整体结构抗震。由图10（c）可知，试验结果的正、负向极限承载力分别为109.2、-112.3 kN，方案1的正、负向极限承载力分别为127.7、-145.2 kN，较试验结果分别提高了16.9%、29.3%。方案2的正、负向极限承载力分别为145.4、-153.2 kN，较试验结果分别提高了33.2%、36.4%。综合看，若要获得更好的承载力和耗能能力，建议在0.75

图10 2种加固方案的滞回曲线和骨架曲线

4 结论

（1）采用ABAQUS软件中的塑性损伤模型对结构试验进行数值模拟，模拟结果的损伤分布和荷载位移曲线与试验结果比较吻合，验证了本文数值模型的可靠性。

（2）采用抗压强度为35 MPa的ECC材料分别对框架节点在0.90~1.00损伤区域内（方案1）和0.75~1.00（方案2）损伤区域内的混凝土进行替换加固，其正向极限承载力较试验结果分别提高了16.9%、33.2%，负向极限承载力较试验结果分别提高了29.3%、36.4%。

两种方案均有效改善了损伤节点的抗震性能，若要取得更好的承载力和耗能能力，建议采用加固方案2。