[发明专利]一种后张预应力装配式混凝土结构节点的纤维铰模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于纤维铰模型的后张预应力装配式混凝土结构梁柱节点、梁墙节点及柱脚节点力学性能的数值模拟方法，模拟采用的单元包括纤维铰单元、纤维单元、刚性杆单元、自由度耦合单元。本发明将穿过预制梁柱接缝的普通钢筋和预应力筋嵌入到构建的纤维铰单元中，能精确模拟后张无粘装配式梁柱节点主要非线性行为：反复加载下的力‑位移滞回曲线、预制梁柱接缝的开裂/闭合、节点伸长、接触面中和轴的移动。且相比传统计算方法，本发明大大减少了单元数量，计算效率高，收敛性好，为后张预应力混凝土结构的精确分析和设计提供技术支撑。

技术领域

本发明涉及钢筋混凝土结构建设领域，特别是涉及一种预应力装配式混凝土框架结构的梁柱节点、梁墙节点及柱脚节点仿真分析方法。

背景技术

装配式建筑结构作为新兴的一种绿色环保节能高效型建筑，得到了越来越广泛的应用，具有施工速度快，经济效益好，对环境造成的污染影响较小等优势。装配式建筑结构的普及程度已经成为了实现建筑产业现代化和可持续发展的衡量指标之一。后张预应力混凝土结构，具有自重轻、刚度大、变形可回复等优点，是符合建筑产业现代化发展要求的一种结构体系，具有良好的应用和推广前景。

目前常规的装配式混凝土结构设计主要采取等同现浇的设计理念，而后张预应力混凝土结构，由于采用干式连接或混合连接，存在典型的构件接缝和连接界面，其宏观结构性能和微观受力机理、破坏机理与传统的现浇结构存在很大的差异，不适合机械地套用传统现浇结构的设计方法。在后张预应力混凝土结构体系设计和分析中，确定预制构件接缝(主要包括梁柱接缝、梁墙接缝和柱脚接缝)的受力状态和力学行为，是进行精细化结构分析和设计的关键所在。

对预应力装配式混凝土结构的节点进行数值分析，主要有两种方法。一种是宏观有限元分析方法，其中多弹簧模型具有较高的计算准确度，为该类分析模型的代表。多弹簧模型采用纤维单元模拟预制构件，采用桁架单元或梁单元模拟预应力筋，构件接缝采用多个弹簧单元模拟。此种方法计算量小，容易收敛，是目前应用最广泛的分析模型。另一种是精细有限元分析方法：采用实体单元模拟混凝土，采用桁架单元或者实体单元模拟普通钢筋和预应力筋，采用接触单元模拟预制梁柱之间的粘结，这种方法能够建立精细的分析模型，能较为准确的模拟结构各部件所处应力状态，但该模型建模工作量大、计算效率低，特别是在混凝土开裂或损伤较为严重时，计算收敛较难保证。

现有多弹簧分析模型虽然模型复杂程度大大低于精细有限元模型，但仍然包含数量较多的单元，仅适合于单个节点以及简单结构的分析，对于大型复杂结构的分析，建模复杂程度仍然较高，需进一步简化模型。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供一种后张预应力装配式混凝土结构节点的纤维铰数值模拟方法，其适用于后张预应力装配式混凝土结构的整体结构计算分析、设计和抗震性能评估。本发明也适用于后张预应力装配式混凝土结构施工前的设计、验算，根据模拟结果来浇筑相应的预制构件，并根据模拟结果进行预制构件的装配施工。

一种预应力装配式混凝土结构节点的纤维铰模拟方法，使用的单元包括纤维铰单元、纤维单元、刚性杆单元、自由度耦合单元。其中，预制混凝土构件接缝采用纤维铰单元模拟，纤维铰单元的长度可取预制构件接缝宽度，也可取1mm至梁或柱截面高度三分之一的任意长度。

进一步的，当模拟梁柱单元时，在纤维铰单元中根据预制梁(对于梁柱节点和梁墙节点)截面构造以及穿过梁柱节点接缝的配筋构造来定义纤维铰单元截面构造；当模拟柱脚单元时，在纤维铰单元中根据预制柱(对于柱脚节点)截面构造以及穿过柱脚节点接缝的配筋构造来定义纤维铰单元截面构造；在纤维铰单元中通过对单元各材料本构关系进行修正以达到精确模拟实际构件力学行为的目的。纤维铰单元中各纤维相互之间无粘结且只在构件端部刚性连接，各纤维沿构件长度均匀分布，并采用自由度耦合单元或者弹簧单元限制单元剪切变形。纤维铰单元可以采用纤维模型模拟，沿构件长度方向采用梯形积分，在单元两端分别设置一个积分点，各纤维的轴向应变根据单元两端应变的平均值确定。