基于opensees的梁—柱节点单元的适用性和定参方法分析

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1、1绪论1．1研究背景按照传统的设计分析方法，现浇钢筋混凝土框架节点都被视为刚性，近几十年来，世界各国发生了多次大的地震(如1999年土耳其大地震)，通过对震后建筑物损伤的观察分析以及通过对钢筋混凝土框架结构在地震作用下的反应的试验研究表明，当结构进入屈服后的较大非弹性变形状态时，节点因交叉斜向开裂而产生的变形以及节点核心区梁柱纵向钢筋的滑移给框架层间位移带来的影响有时相当大。如果设计时未考虑延性框架，那么节点将在节点区钢筋的锚固失效、核心区剪切失效以及核心区混凝土压溃等不利因素共同作用下失效。因此，国内外学术界开展了大量针对

2、钢筋混凝土框架节点抗震性能及设计方法的研究工作。这些工作一部分是从事试验研究，但是试验受到加载方式、构件制作、测量仪器精度等不可避免的客观因素的制约，往往不能很好地反映地震作用下梁一柱节点真实的受力和变形情况。随着结构数值模拟在工程应用和研究领域的迅速发展，另一种用计算机编制有限元程序，通过构建节点模型来模拟节点核心区在地震作用下的动力反应的方法产生并得到了发展。1．2钢筋混凝土梁一柱节点有限元模型研究现状如今，对钢筋混凝土梁一柱节点进行数值模拟分析已经受到学术界的重视。不同的学者也提出了构建节点模型不同的模拟思路和方法，如

3、经验公式法，有限单元法。由于在地震作用下钢筋混凝土梁柱组合体的变形主要是由节点核心区的剪切变形和钢筋滑移变形引起的，因此不管使用那种方法来建模，一个典型的梁一柱节点模型都要能反映节点这两类主要变形。1．2．1通过梁、柱单元来描述节点的非弹性反应早期的研究在模拟钢筋混凝土框架非弹性反应的工作时，是通过在组成框架结构的梁、柱单元中加入塑性铰来考虑梁一柱节点的非弹性反应的。该方法的优点是通过简化使计算过程比较简单，而且在一定程度上能够简要的描述节点受力特性，但是它不能考虑节点的剪切反应，更不能考虑节点区内钢筋的粘结滑移，因此这种方

4、法的计算结果是不精确的。1．2．2转动铰模型第二代的梁一柱节点模型将梁、柱构件以及节点的非弹性反应分别加以考虑。学者EI--MetwallyIl】和Alath[2]分别在1988年和1995年提出了使用这种方法建立重庆大学硕士学位论文的节点模型。在他们的模型中，节点的剪切变形由一根转动弹簧控制。Alath模型采用的数学方程取自于经验公式，它对于某些特定的节点是是适用的，该模型采用的滞回反应本构模型只能粗略地表现节点的剪切反应特性，而且模型并没有考虑节点区梁、柱纵筋的粘结滑移。EI--Metwally模型首先提出了两个假设：第

5、一、假设节点区纵向钢筋的锚固破坏控制了节点在地震作用下的非弹性反应；第二、对于所有类型的节点，纵筋锚固破坏对节点耗能性能的影响是相同的。在两个假设的基础上El--Metwally提出了一种预测节点在循环加载下反应的方法。虽然转动铰模型使得我们在做框架非线性分析时能够单独地考虑节点的非弹性反应，而且也没有大大增加计算工作量，但是这种方法不能保证模拟的客观性和计算结果的准确性。例如Alath模型需要依赖于大量的梁一柱节点试验数据来建立一个一维节点弯矩一转动关系模型，而EI--Metwally模型也需要定义纵筋锚固破坏对节点耗能性

6、能的影响。因此，使用这类模型来模拟一般节点的反应就需要大量的试验数据和复杂的定参过程。目前，要找到足够多基于不同设计参数的节点试验有效数据是很困难的。1．2．3各类节点宏模型图1．1Ghobarah和Youssef提出粱一柱节点模型Fig．1．1Componentsofthebeam-columnjointmodel(Ghobarah&Youssef)1999年，Ghobarah和Youssef两位学者【31在Alath模型的基础上进行了修改。在模型加入了反映钢筋粘结滑移关系的弹簧，并采用两根剪切弹簧来模拟节点核心21绪论区

7、的剪切反应。该模型假设纵筋的粘结滑移发生在梁、柱单元与节点区的刚性接触面之间，节点单元与梁、柱单元的连接是通过3根混凝土弹簧和3根钢筋弹簧实现的，节点区的两根剪切弹簧则以铰接的形式与4个刚性接触面相连(图1．1)。并采用修正斜压场理论(MCFT)来定义反映节点核心区钢筋混凝土剪切应力一剪切应变关系弹簧的本构。该模型能够较为客观地表现钢筋混凝土梁一柱节点在周期循环荷载作用下纵筋粘结滑移以及节点核心区的剪切反应，但该模型不能反映节点周边梁、柱交界面在开裂后，裂缝对梁端剪力传递到节点区性能的影响。另外，美国华盛顿大学Laura和N

8、ilanjan两位学者在2003年也提出的一个基于转动铰模型的二维平面超级节点单元模型【4】如图1．2。该模型将节点核心区视为二维非弹性应变场，以混凝土二维本构模型，钢筋非单调加载本构模型和钢筋与混凝土之间的非弹性粘结本构模型为基础，用二维非弹性有限元分析方法，对节点核心区受力状态进行计算