基于纖維模型的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析

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1、第5卷第2期震災(zāi)防御技術(shù)Vol.5,No.22010年6月TechnologyforEarthquakeDisasterPreventionJun.,2010呂楊，徐龍河，李忠獻(xiàn)，丁陽(yáng)，2010.基于纖維模型的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析.震災(zāi)防御技術(shù)，5（2）：257—262.基于纖維模型的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)1動(dòng)力彈塑性分析1）2）1）1）呂楊徐龍河李忠獻(xiàn)丁陽(yáng)1）天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津3000722）北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044摘要采用纖維單元模型和實(shí)體單元模型對(duì)一個(gè)鋼筋混凝土柱進(jìn)行

2、了動(dòng)力彈塑性分析，結(jié)果表明，截面纖維模型能以很小的計(jì)算成本達(dá)到實(shí)體單元模型的計(jì)算精度，并且和試驗(yàn)結(jié)果擬合較好。同時(shí)，對(duì)一個(gè)3層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行的動(dòng)力彈塑性分析表明，纖維單元模型能很好地解決各種非線性問(wèn)題，適合于強(qiáng)震作用下結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力彈塑性分析。關(guān)鍵詞：動(dòng)力彈塑性分析鋼筋混凝土柱LS-DYNA纖維模型鋼筋混凝土框架引言影響建筑結(jié)構(gòu)災(zāi)變過(guò)程的控制參數(shù)很多，完全基于試驗(yàn)的研究方法因受到試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的限制，目前大多以數(shù)值模擬輔以少量模型試驗(yàn)進(jìn)行研究，顯然快速精確的數(shù)值模擬方法是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵。目

3、前，大型通用有限元軟件建立結(jié)構(gòu)分析模型的方法主要有實(shí)體單元模型和梁?jiǎn)卧Ｐ?，?shí)體單元模型因?yàn)榻?fù)雜（Makoto等，2009）、計(jì)算成本過(guò)高，只能用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件層次上的分析或小型建筑結(jié)構(gòu)的整體分析，而梁?jiǎn)卧Ｐ陀钟捎谟?jì)算精度不高，一般只能用于結(jié)構(gòu)整體模態(tài)分析或定性分析。有鑒于此，很多學(xué)者在通用有限元軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，建立了用戶自定義單元模型平臺(tái)（林旭川等，2007；陸新征等，2007；方明霽等，2008；秦從律等，2005），但是由于平臺(tái)開(kāi)發(fā)難度大，還可能出現(xiàn)求解過(guò)程不夠穩(wěn)定，不能很好處理材料

4、負(fù)剛度等問(wèn)題，目前還不能滿足大多數(shù)人的需求。為了對(duì)比實(shí)體單元模型與纖維單元模型的計(jì)算精度和計(jì)算成本，本文用LS-DYNA有限元程序分別對(duì)一個(gè)鋼筋混凝土柱建立了纖維單元模型和實(shí)體單元模型進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析。分析結(jié)果表明，LS-DYNA軟件中的截面纖維模型能以很低的計(jì)算成本達(dá)到較高的求解精度。同時(shí)，對(duì)一個(gè)3層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)震作用下彈塑性時(shí)程分1基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃重點(diǎn)支持項(xiàng)目（90815025；90715032）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（50808013）；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)

5、與前沿技術(shù)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（09JCZDJC25200）[收稿日期]2010-03-09[作者簡(jiǎn)介]呂楊，男，生于1984年。博士研究生。主要從事結(jié)構(gòu)抗震研究。E-mail:lvyangtju@163.com258震災(zāi)防御技術(shù)5卷析，結(jié)果表明纖維單元模型能很好處理各種非線性問(wèn)題，求解過(guò)程穩(wěn)定，適合于強(qiáng)震作用下整體結(jié)構(gòu)的災(zāi)變過(guò)程分析。1內(nèi)力計(jì)算通過(guò)將截面離散成纖維，再分別給不同的纖維賦予相應(yīng)材料的滯回性能，對(duì)各纖維應(yīng)力數(shù)值積分計(jì)算截面內(nèi)力（Schwer，2003），軸力為：（1）NAA??????d(?i

6、iRA)(TS)(TTW)??i(Fi)式中，RA為定義截面形式參數(shù)；TS和TT為截面尺寸；?i為第i個(gè)積分點(diǎn)軸向應(yīng)力；WTi為第i個(gè)積分點(diǎn)相對(duì)截面面積。彎矩為：Mti??????sAd(?sAiiRATSTT)()()??isWFi(i)1（2）2?()RATSTT()()??iisWF()i2式中，si為相對(duì)坐標(biāo)。同理：Ms??????tAd?iiitA(RATSTT)()()??iitWF(i)1（3）2?()RATS()()TT??iitWF()i2式中，ti為相對(duì)坐標(biāo)。2鋼筋混凝土柱動(dòng)力彈塑性

7、分析2.1模型幾何參數(shù)為驗(yàn)證截面纖維單元計(jì)算精度和成本，分別建立實(shí)體單元模型和纖維單元模型，并對(duì)Hideaki等（2004）文章中的正方形截面鋼筋混凝土柱進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析。方形截面鋼筋混凝土懸臂柱柱高2.5m，縱向配置48根直徑10mm的鋼筋，配筋率約為0.95%，箍筋為間距75mm、直徑6mm的鋼筋，材料參數(shù)同Hideaki等（2004）。柱頂配重約36t，柱底應(yīng)力為1.0MPa，質(zhì)心點(diǎn)高度為3.0m。地震動(dòng)輸入為雙向Kobe地震波，加速度峰值N-S向?yàn)?42gal，E-W向?yàn)?66gal，時(shí)間

8、步按1/2縮放。2.2有限元模型纖維單元模型中將柱截面離散成100個(gè)混凝土網(wǎng)格和48個(gè)鋼筋網(wǎng)格。沿軸向離散成25個(gè)纖維段和2個(gè)用于模擬柱頂附加質(zhì)量的剛性梁?jiǎn)卧??；炷敛捎肒ent等（LS-DYNA，2006）建議的材料本構(gòu)模型。鋼筋采用考慮塑性流動(dòng)的彈塑性強(qiáng)化模型。實(shí)體單元模型中鋼筋與混凝土分別建模?；炷敛捎谜骟w單元模擬，單元邊長(zhǎng)為30mm；鋼筋采用空間梁?jiǎn)卧簡(jiǎn)卧L(zhǎng)度30mm；鋼筋混凝土之間的粘結(jié)滑移采用一維滑動(dòng)接觸模型模擬（Sc