基于ABAQUS的分体柱抗震性能研究

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大量震害分析表明,脆性剪切破坏是短柱在地震灾害中常见的破坏模式。框架结构中柱的破坏将导致结构的整体垮塌,造成人员伤亡及经济损失。为了提高短柱的抗震性能,李忠献等人通过改变短柱的结构形式而提出了分体柱技术:即通过在整截面短柱内设置分隔板,将其劈分为多个等截面单元长柱,各单元柱剪跨比扩大一倍,进而使短柱的破坏模式及抗震性能从根本上得到了改善。  经研究传统分体柱存在承载力下降及正常使用状态下隔板与单元柱接触位置易产生裂缝的问题。针对分体柱在工程应用中存在的弊端,本课题组以变化内部隔板尺寸为出发点,提出了一种新型分体柱。本文基于有限元软件ABAQUS,以数值分析的基本理论为基础,对课题组提出的新型分体柱进行了不同设计参数下有限元分析。主要研究成果如下:  (1)本文以课题组进行的新型分体柱抗震性能试验为基础,利用有限元软件ABAQUS建立了数值模拟模型,其中混凝土采用损伤塑性模型,钢筋采用清华大学潘鹏、曲哲教授基于ABAQUS材料用户子程序UMAT开发的PQ-Fiber_USteel02材料滞回模型,完成了对新型分体柱抗震性能的有限元分析。结果表明:建立的数值模拟模型合理,可实现对新型分体柱破坏过程的模拟;得到的滞回曲线和骨架曲线均与试验结果吻合较好;有限元模拟得到的承载力特征值同试验承载力相比误差小于10%,满足分析要求。  (2)针对传统分体柱承载力较低且正常使用状态下易产生裂缝的问题,本文以隔板为研究对象并提出了分隔比的概念,通过有限元软件ABAQUS对分隔比为0、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1的分体柱承载能力及抗震性能进行研究,对数值模拟结果进行对比分析得出如下结论:随分隔比的增大,分体柱由整截面柱的脆性剪切破坏形态过度到各单元柱延性较好的弯曲破坏形态;各试件的承载力随分隔比的增大的而减小;延性及耗能能力随分隔比的增大显著增加;刚度退化速度随分隔比的增大而减缓;减小分隔比可有效延缓竖缝出现时间。相较于传统分体柱(分隔比为1),适当减少分隔比的新型分体柱可在维持其良好变形能力的基础上提高其承载力,并可延缓柱体中部竖缝的发展,有效解决传统分体柱在工程应用中存在的问题;本文推荐的分隔比范围为0.7~0.9。  (3)利用ABAQUS有限元软件对分隔比为0.7的分体柱试件进行了不同变化参数下的分析,主要研究了轴压比、剪跨比、配箍率的影响。模拟结果表明:增大分体柱的轴压比可显著提高其承载力,但其延性及耗能能力均有所下降,加载后期刚度退化速度加快。增加剪跨比,分体柱承载能力下降显著,其延性及耗能能力有所增加,刚度退化速度减缓。不同配箍率的各分体柱试件承载力变化幅度较小;配箍率高的分体柱试件其骨架曲线下降段较为平缓,配箍率低的分体柱试件的骨架曲线下降段下降加快,且耗能能力及延性降低,存在较为明显转折;不同配箍率的分体柱试件的刚度退化速度变化幅值不大。
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