新论文：钢筋混凝土板柱节点冲切及冲切破坏后行为的数值模拟
论文链接：
https://doi.org/10.1680/jmacr.19.00465
1.研究背景
钢筋混凝土板柱(无梁楼盖)结构存在着在板柱节点区域发生脆性冲切破坏的风险。发生冲切破坏后，随着力的重分配和传递，结构破坏可能会向周围扩散并进而导致大范围的连续性倒塌。近年来国内外板柱结构的地下车库倒塌事故(如图 1)频发，因此对该体系的结构行为急需更进一步的研究。
图 1 西班牙Santander某地下车库坍塌（图片来源：niusdiario.es）
板柱节点处的受力状态比较复杂，同时存在着弯矩、剪力、不平衡弯矩引起的扭矩及板平面内的薄膜力，因此目前针对冲切破坏的研究多基于板柱节点的冲切试验(如图 2)。而由于试验过程中冲切破坏面难以观察及冲切破坏的瞬时性，限制了对冲切破坏机理的认识。另一方面，板柱节点的冲切后承载力对于限制混凝土材料失效的传播和结构抵抗连续倒塌具有重要意义，但目前加载至冲切后大位移阶段的板柱节点试验还比较少。考虑到目前试验的限制和理论分析的复杂性，本文借助LS-DYNA有限元软件采用数值分析的方法对一系列板柱节点冲切后承载力试验进行了模拟，描述了冲切破坏的全过程并分析了冲切承载力的构成。
图 2 板柱节点冲切试验
2.模型建立
本文主要模拟了在清华大学进行的一系列板柱节点冲切后承载力试验(图 2)。试验中板柱节点支撑在四周的边界梁上，并在中间柱头上受到逐渐施加的竖向位移。建模过程中采用分离式方法，使用2节点梁单元模拟钢筋及8节点实体单元模拟混凝土，并通过*CONSTRAINED_BEAM_IN_SOLID关键字将二者相耦合。建模时将各层钢筋排布于其实际位置并通过*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL关键字施加钢筋单元间的接触，这样使得板柱节点冲切破坏后的悬挂效应得以较好地模拟。
钢筋使用多段线弹塑性材料模型(*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY)，混凝土使用光滑封闭屈服面模型(*MAT_CSCM)。由于最终的冲切破坏是由于受压区的混凝土压碎导致，所以该混凝土材料模型中内置的最大主应变失效准则并不适用，而是使用更具综合性且包含剪切变形的最大有效应变(epsilon_smax)失效准则(*MAT_ADD_EROSION)来实现冲切破坏。考虑到最终的冲切破坏取决于板柱节点的受弯变形能力，模型中采用一个综合的“柔度指数”lambda(式(1))来描述该变形能力，并将其与失效准则相关联。构建“柔度指数”时考虑的主要因素有：混凝土强度f'c、板内配筋率rho、支座形式、板厚d及跨度L。
而“柔度指数”与失效准则的联系基于8个板柱节点的试验数据校准得到 (式(2))，在校准的过程中发现板柱节点在受弯阶段的行为并不受冲切破坏的影响。
对于钢筋，最大有效塑性应变失效准则可以实现在试验后期大位移阶段的钢筋拉断。最终建立好的板柱节点模型见图 3。
图3 板柱节点模型
3.模拟结果
试验中与模拟的最终破坏模式对比见图 4。可以看到试验中板的裂缝、柱头冲出板面及钢筋网产生的悬挂作用等试验现象均可以较好地模拟出来。图5展示了试验与模拟的荷载位移曲线对比，也表明通过模拟可较为准确地得到板柱节点在弯曲阶段、冲切破坏及冲切后阶段的结构行为。进行数据分析对比后可知冲切承载力Vp主要由受压区混凝土的抗剪承载力vc，冲切破坏面上的摩擦力及骨料咬合力va，和穿柱钢筋的销栓作用vs组成(见图 5)。
(a)
(b)
(c)
(d)
图4 最终破坏模式对比
图 5 荷载位移曲线对比
图6展示了板柱节点冲切破坏的全过程，可以看出冲切裂缝与板的受弯裂缝在板的外表面无法辨别，故在冲切破坏前人们无法得到有效的警示。受压区的脆性混凝土压碎导致了冲切破坏面的完全贯通，形成了最终的冲切破坏。通过查看冲切破坏面上单元的应力状态，可以看到单元的最大主应力方向垂直于冲切破坏面，且在另两个主应力方向上受压。
(a)
(b)
(c)
(d)
图 6 板柱节点冲切破坏全过程
4.结论
1. 板柱节点的弯曲行为不受冲切破坏面发展的影响，但最终的冲切破坏取决于板柱节点的受弯变形能力。
2. 冲切破坏面上单元的最大主应力方向垂直于该破坏面，且在另两个主应力方向受压。
3. 冲切破坏承载力主要由三部分组成：(1)受压区混凝土提供的抗剪承载力，(2)冲切破坏面上摩擦力及骨料咬合力，及(3)穿柱钢筋的销栓作用。
薛慧中
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