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基于 OpenSees 的超级梁－柱节点单元的适用性和定参方法研究 4－326 基于 OpenSees 的超级梁－柱节点单元的适 用性和定参方法研究 基于 OpenSees 的超级梁－柱节点单元的适 用性和定参方法研究 吴健秋，韩凤霞，王志军 (重庆大学土木工程学院，重庆市沙坪坝 400045) 摘摘 要要: 本文在深入研究基于美国 PEER 中心开发的结构非线型分析工具 OpenSees 平台的超级节点模型 的组成结构和实现方法的基础上， 利用修正斜压场理论(MCFT) 编制了计算混凝土剪切应力－剪切应变关 系的程序， 在对节点区钢筋的抗剪机理进行分析后， 提出了一种通过加位移的方式计算节点核心区剪切应 力－剪切应变全过程曲线的简化定参方法 最后通过 OpenSees 平台使用该模型对 6 个节点试验进行分析， 得到了理想的模拟结果，并根据分析结果对修正定参方法后的节点模型的优缺点进行了评价 关键词关键词: 钢筋混凝土框架；梁－柱节点；修正斜压场理论；OpenSees A Study on the Applicability and Parameter Defining Method of the Super Beam-Column Model in OpenSees WU Jian-，qiuHAN Feng-，xiaWANG Zhi-jun (College of Civil Engineering，Chongqing University，Shapingba 400045，China) Abstract: After thorough analysis on the two-dimensional joint model element called ‘super model’ in the nonlinear analysis procedure OpenSees, which is produced by the PEER center of America, a program based on the MCFT to define the parameters in the joint model was worked out. With the analysis of the load distribution in the joint core, a simple method of defining parameters of the whole curve of shear stress-strain relationship for Shear Panel using the displacement control was put forward. The proposed parameter defining method got preferable simulated responses to simulate the joint tests. Finally, the advantages and disadvantages of the joint model were evaluated through comparison of the simulated and observed response. Key words: Reinforced Concrete Frame; Beam-Column Joint; MCFT; OpenSees 引引 言言 在地震作用下，钢筋混凝土框架节点的受力是非常复杂的。

国内外学术界开展了大量 针对钢筋混凝土框架节点抗震性能及设计方法的研究工作随着结构数值模拟在工程应用 和研究领域的迅速发展，用计算机编制有限元程序，通过建立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 本文所要研究的，正是这样一种以美国 PEER 中心开发的结构非线性分析工具 OpenSees 为平台开发的用于模拟中间层中节点在地震作用下反应的模型[1]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、钢筋循环加载本构模型和钢筋与 混凝土之间的 _________________________ 作者简介：作者简介：吴健秋(1981-)，男，四川绵阳人，硕士研究生 通讯联系人：通讯联系人：王志军(1965-)，男，教授，博 导，从事混凝土结构受力性能和结构抗震方面的研究工作. Email:zjwang@ 2007 年第九届全国振动理论及应用学术会议论文集 杭州,2007.10.17-19 4－327 非弹性粘结本构模型为基础，建立二维非弹性有限元分析方法，对节点核心区受力状态进 行计算机模拟分析 1 基于基于 OpenSees 程序的节点单元模型程序的节点单元模型 1.1 梁－柱节点受力分析 1.1 梁－柱节点受力分析 图 1(a)给出了节点区周边理想的受力分布，弯矩产生的拉力和压力分别通过节点区的 纵向钢筋的拉力(如图 1(a)中的白色箭头)，受压区混凝土和钢筋承担的压力传入节点(如图 1(a)中的黑色箭头)，剪力通过节点弯压区混凝土的压力传入节点(如图 1(a)中的阴影箭头)。

图 1(b)给出了节点核心区理想的受力分布， 压力和剪力都直接作用在节点核心区周边(如图 1(b)中的黑色箭头和阴影箭头)，而拉力则是通过节点区的水平和竖向纵筋通过分布粘结力 传入节点核心区的(如图 1(b)中的白色箭头) 作用在节点周边的压力 作用在节点周边的剪力 作用在节点周边的拉力 作用在核心区点周边的压力 作用在核心区周边的粘结力 作用在核心区周边的剪力 (a) 作用在节点区周边的力 (b) 节点核心区的受力状态 图 1 节点区理想的受力分布 Fig. 1 Idealized load distribution in the vicinity of the beam-column joint 从图 1(b)可以看出地震作用下节点核心区的传力机制首先，纵筋的锚固会影响节点 的反应粘结应力在一定程度上决定了传入节点的总荷载的大小，即节点的承载力在一定 程度上取决于节点核心区钢筋与混凝土之间的粘结强度 1993 年 Bonacci 和 Pantazopoulou 两位学者在试验室对 86 个钢筋混凝土中节点试件进行了低周期反复加载试验[2]，其中 19 个试验节点的破坏是由于节点核心区钢筋锚固失效引起的。

同时，从图 1(b)还可以看出节 点核心区的剪力对节点的反应有重要的影响 白色箭头表明剪力通过粘结力作用于节点区 作用在节点周边混凝土的压应力也对作用在节点核心区的剪力有贡献作用(该压应力由节 点核心区的混凝土和钢筋共同承担，如图 1(b)中的黑色箭头)在剪力作用下，节点的反应 取决于节点核心区的抗剪强度和节点核心区的非弹性变形性能Bonacci 和 Pantazopoulou 所做的试验表明，86 个梁－柱节点组合体试件中有 51 个的破坏在一定程度上是由于节点 核心区剪切失效引起的另外除了锚固和剪切这两种机制，节点在地震作用下的反应还受 到节点周边梁柱交界面剪力传递作用的影响在较大的荷载循环加载过程中节点周边混凝 土会开裂，而较大的裂缝会在一定程度上降低交界面处的剪力传递效率 1.2 梁－柱节点模型 1.2 梁－柱节点模型 本文研究的对象是一个以 OpenSees 为工作平台， 适用于结构非线性分析的二维节点模 型(图 2) 该模型通过以下三个分量模型来表现上述节点的三种主要的受力破坏机制： ①通 过 8 个钢筋滑移分量(Bar-slip Component)，模拟随着节点核心区的梁、柱纵筋的粘结退化 引起的节点刚度和强度的退化；②通过 1 个剪块分量(Shear Panel Component )，模拟由节 基于 OpenSees 的超级梁－柱节点单元的适用性和定参方法研究 4－328 点核心区剪切失效引起的节点刚度和强度的退化；③通过 4 个交界面剪切分量 (Interface-shear Component)，模拟在大震作用下节点周边交界面传递剪力能力的退化。

上述三个分量模型均采用了一个广义一维荷载－变形滞回反应材料(Pinching4 material) 来模拟其在循环加载下的滞回性能如图 3 所示，该广义材料包括单调加载下的骨架线、 循环加载下的卸载－再加载路径以及 3 个破坏准则其中骨架线为多线型 (multilinear)， 卸载－再加载曲线为三线型(trilinear)定义正、负方向的骨架线(图 4 中的①和②)需要 16 个参数，定义循环加载下沿正、负方向的两条卸载－再加载路径(图 4 中的③和④)需要 6 个参数，另外循环加载下的破坏准则(卸载刚度退化、再加载刚度退化、强度退化)还需要 12 个参数来定义在该滞回材料模型的基础上，用户可以通过具体节点试件的几何尺寸， 配筋情况以及钢筋和混凝土材料特性来定义节点模型中的钢筋滑移分量、剪块分量以及交 界面剪切分量的力－变形的关系，然后用相关材料的试验数据进行校核 该模型的关键是正确确定核心区剪块分量(Shear Panel)剪切应力－剪切应变骨架曲线 现有的文献只给出了其基于纯剪的假设和使用的理论(修正斜压场理论)，具体怎样根据不 同节点试件的设计参数来计算选取此部分分量模型参数的方法没有给出。

如果没有详细正 确的定参方法那么就无法通过该模型对试验的模拟来验证该模型的客观性和可靠性，更不 可能使用该模型来预测梁－柱节点在地震作用下的反应，因此本文下面将针对该节点模型 中 Shear Panel 分量模型的定参方法，展开研究 内部结点 零宽度区域， (为了便于讨论 在图中给出了 有限的宽度) 刚性外部 接触面 刚性内部 接触面 零长度交界 面剪切弹簧 剪块 零长度钢筋 滑移弹簧 零长度钢筋 滑移弹簧 外部结点 2 11 (eNd ,eNf ) (d ,f(d )) min(eNd ,eNf ) 33 min (eNd ,eNf ) 22 min(rDispN d ,rForceN f(d )) (rDispP d ,rForceP f(d )) max (ePd ,ePf ) (d ,f(d )) 2 (ePd ,ePf ) (*,uForceP ePf ) 3 44 (eNd ,eNf ) 4 min 3 max max 1 荷载 (load) 1 2 (deformation) 变形 (*,uForceN eNf ) 3 4 (ePd ,ePf ) 4 1 (ePd ,ePf ) max 33 图 2 梁－柱节点模型 图 3 广义一维荷载－变形滞回反应模型 Fig. 2 The beam-column joint model Fig. 3 One-dimensional load-deformation response model 2 基于基于 MCFT 理论的理论的 Shear Panel 定参方法定参方法 本文的节点模型以 MCFT 理论为基础， 定义用于模拟节点核心区剪切反应的材料模型 (Pinching4 material)的相关参数。

具体地说，就是根据节点核心区混凝土的材料特性，竖向 钢筋和水平钢筋的配筋率以及节点区钢筋的材料特性等参数， 利用基于 MCFT 理论计算得 到单调加载下节点核心区钢筋混凝土的剪切应力－剪切应变关系曲线，然后在曲线上选取 8 个的控制点(图 3 中的实心圆点)来定义单调加载下剪块分量的剪切应力－剪切应变关系 包络骨架线(图 3 中的实线) 2.1 修正斜压场理论(Modified Compression Field Theory) 2.1 修正斜压场理论(Modified Compression Field Theory) 1982 年加拿大学者 Vecchio 和 Collins 对不同材料特性，以及不同配筋率的钢筋混凝 土块。