纖維模型分析橋梁動(dòng)力彈塑性

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1、使用纖維模型做橋梁的動(dòng)力彈塑性分析北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司2004.12目錄1.概要2.纖維單元的特性3.橋梁資料4.建立結(jié)構(gòu)模型5.定義纖維單元6.結(jié)構(gòu)的非線性特性7.定義時(shí)程分析數(shù)據(jù)8.運(yùn)行結(jié)構(gòu)分析9.定義分析結(jié)果函數(shù)10.查看分析結(jié)果使用纖維單元做預(yù)應(yīng)力橋梁的動(dòng)力彈塑性分析1.概要纖維單元是將梁?jiǎn)卧孛娣指顬樵S多只有軸向變形的纖維的模型，使用纖維模型時(shí)可利用纖維材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和截面應(yīng)變的分布形狀假定較為準(zhǔn)確地截面的彎矩-曲率關(guān)系，特別是可以考慮軸力引起的中和軸的變化。但是因?yàn)槭褂昧藥追N理想化的骨架曲線(skeletoncurve)計(jì)算反復(fù)荷載作用

2、下梁的響應(yīng)，所以與實(shí)際構(gòu)件的真實(shí)響應(yīng)還是有些誤差。MIDAS/Civil中的纖維模型使用了下面的幾個(gè)假定。?截面的變形維持平截面并與構(gòu)件軸線垂直。?不考慮鋼筋與混凝土之間的滑移(bond-slip)。?梁?jiǎn)卧孛嫘涡牡倪B線為直線通過(guò)下面例題，介紹使用纖維單元做動(dòng)力彈塑性分析的步驟。因?yàn)楸纠}說(shuō)明側(cè)重于利用纖維單元做動(dòng)力彈塑性分析的介紹，所以省略了前期建模的過(guò)程，并認(rèn)為用戶已經(jīng)熟練掌握了MIDAS/Civil的建模方法。本例題模型為三維預(yù)應(yīng)力梁橋的實(shí)際橋梁模型(2002年11月建，韓國(guó))，但為了說(shuō)明上的便利，進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化處理，最后的結(jié)果有可能與實(shí)際設(shè)計(jì)稍有

3、差異。MIDAS/Civil中使用纖維單元做動(dòng)力彈塑性分析的步驟如下:1.定義纖維模型的材料特性2.定義纖維模型的截面特性3.定義并分配構(gòu)件的非彈性鉸特性4.輸入動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析數(shù)據(jù)5.運(yùn)行分析6.定義分析結(jié)果函數(shù)7.檢查并驗(yàn)算分析結(jié)果1使用纖維單元做預(yù)應(yīng)力橋梁的動(dòng)力彈塑性分析2.纖維單元的特性纖維模型在纖維模型中，每個(gè)纖維的軸向變形對(duì)應(yīng)于截面的軸向變形和彎曲變形，由纖維的應(yīng)變確定纖維的應(yīng)力狀態(tài)，由纖維的應(yīng)力計(jì)算截面的軸力和彎矩。纖維的應(yīng)變和截面變形的關(guān)系可用下式表達(dá)。在此，x:截面的位置φy(x):梁?jiǎn)卧S向x處，對(duì)截面單元坐標(biāo)軸y軸的曲率。φz(x)

4、:梁?jiǎn)卧S向x處，對(duì)截面單元坐標(biāo)軸z軸的曲率。εx(x):梁?jiǎn)卧S向x處截面的軸向應(yīng)變。yi:截面上第i個(gè)纖維的位置zi:截面上第i個(gè)纖維的位置εI:第i個(gè)纖維的應(yīng)變。ECSz-axisyECSz-axisii-thfiberECSy-axisECSx-axisziECSy-axisx圖1.纖維模型的截面分割纖維模型中截面的材料非線性特性是通過(guò)定義纖維的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)的。在MIDAS/Civil中提供了鋼纖維和混凝土纖維的材料模型，下面分別介紹各材料的本構(gòu)模型(constitutivemodel)。2使用纖維單元做預(yù)應(yīng)力橋梁的動(dòng)力彈塑性分析(1)鋼

5、纖維的本構(gòu)模型(Steelfiberconstitutivemodel)鋼纖維的本構(gòu)模型一般為雙折線型的隨動(dòng)硬化(kinematichardening)曲線。各加載路徑和應(yīng)變-硬化區(qū)間的漸進(jìn)線之間的轉(zhuǎn)移區(qū)段呈曲線狀態(tài)。兩條漸進(jìn)線的交點(diǎn)與加載方向上最大應(yīng)變點(diǎn)的距離越遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)移區(qū)段的曲線越平緩。該種本構(gòu)關(guān)系可用下列公式確定。在此,ε:鋼纖維的應(yīng)變?chǔ)?鋼纖維的應(yīng)力(εr,σr):卸載點(diǎn)，在初始彈性狀態(tài)時(shí)假設(shè)為(0,0)。(ε0,σ0):定義當(dāng)前加載或卸載路徑的兩個(gè)漸進(jìn)線的交點(diǎn)。b:剛度折減率R0,a1,a2:常量ξ:荷載加載或卸載方向上的最大應(yīng)變與ε0的差值(絕對(duì)

6、值)在此，最大應(yīng)變的初始值設(shè)定與±(Fy/E)相同。σξ2(εr,σr)1F(ε0,σ0)2yb·EEε(εr,σr)2(ε0,σ0)1ξ1圖2.鋼纖維的本構(gòu)模型3使用纖維單元做預(yù)應(yīng)力橋梁的動(dòng)力彈塑性分析(2)混凝土的本構(gòu)模型(Concretefiberconstitutivemodel)本例題中使用的混凝土纖維的本構(gòu)模型為Kent和Park(1973)提出的對(duì)受壓混凝土的包絡(luò)曲線(envelopecurve)的公式，忽略了混凝土的抗拉強(qiáng)度，對(duì)壓力的包絡(luò)曲線公式如下。該公式可以考慮橫向約束對(duì)抗壓強(qiáng)度的增大效果。在此，ε:混凝土纖維的應(yīng)變?chǔ)襝:混凝土纖維的應(yīng)

7、力ε0:最大應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?chǔ)舥:極限應(yīng)變K:橫向約束引起的剛度增大率Z:應(yīng)變軟化(strainsoftening)的坡度f(wàn)c’:混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度(MPa)compressivestressK·f’cZ·K·f’c0.2K·f’ccompressiveε0εpεrεustrain圖3.混凝土纖維本構(gòu)關(guān)系4使用纖維單元做預(yù)應(yīng)力橋梁的動(dòng)力彈塑性分析3.橋梁資料本例題的橋梁資料如下:計(jì)算跨徑:30m+30m+30m=90m橋?qū)?11.70m橋臺(tái)形式:倒T型橋墩形式:T型橋梁等級(jí):抗震1級(jí)(韓國(guó))設(shè)計(jì)車道數(shù):3車道22使用材料:混凝土(240kgf/cm),鋼材

8、(3000kgf/cm)4.建立結(jié)構(gòu)模型設(shè)定單位體系首先新建立一個(gè)