基于纖維模型的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)動力彈塑性分析

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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，丁陽，2010.基于纖維模型的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)動力彈塑性分析.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動力彈塑性分析1）2）1）1）呂楊徐龍河李忠獻丁陽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體單元模型對一個鋼筋混凝土柱進行

2、了動力彈塑性分析，結(jié)果表明，截面纖維模型能以很小的計算成本達到實體單元模型的計算精度，并且和試驗結(jié)果擬合較好。同時，對一個3層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進行的動力彈塑性分析表明，纖維單元模型能很好地解決各種非線性問題，適合于強震作用下結(jié)構(gòu)整體動力彈塑性分析。關(guān)鍵詞：動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)變過程的控制參數(shù)很多，完全基于試驗的研究方法因受到試驗設(shè)備和試驗經(jīng)費的限制，目前大多以數(shù)值模擬輔以少量模型試驗進行研究，顯然快速精確的數(shù)值模擬方法是解決上述問題的關(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體單元模型和梁單元模型，實體單元模型因為建模復(fù)雜（Makoto等，2009）、計算成本過高，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，而梁單元模型又由于計算精度不高，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)上進行了二次開發(fā)，建立了用戶自定義單元模型平臺（林旭川等，2007；陸新征等，2007；方明霽等，2008；秦從律等，2005），但是由于平臺開發(fā)難度大，還可能出現(xiàn)求解過程不夠穩(wěn)定，不能很好處理材料

4、負剛度等問題，目前還不能滿足大多數(shù)人的需求。為了對比實體單元模型與纖維單元模型的計算精度和計算成本，本文用LS-DYNA有限元程序分別對一個鋼筋混凝土柱建立了纖維單元模型和實體單元模型進行動力彈塑性分析。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算成本達到較高的求解精度。同時，對一個3層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進行強震作用下彈塑性時程分1基金項目國家自然科學(xué)基金重大研究計劃重點支持項目（90815025；90715032）；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目（50808013）；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)

5、與前沿技術(shù)研究計劃重點項目（09JCZDJC25200）[收稿日期]2010-03-09[作者簡介]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題，求解過程穩(wěn)定，適合于強震作用下整體結(jié)構(gòu)的災(zāi)變過程分析。1內(nèi)力計算通過將截面離散成纖維，再分別給不同的纖維賦予相應(yīng)材料的滯回性能，對各纖維應(yīng)力數(shù)值積分計算截面內(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個積分點軸向應(yīng)力；WTi為第i個積分點相對截面面積。彎矩為：Mti??????sAd(?sAiiRATSTT)()()??isWFi(i)1（2）2?()RATSTT()()??iisWF()i2式中，si為相對坐標。同理：Ms??????tAd?iiitA(RATSTT)()()??iitWF(i)1（3）2?()RATS()()TT??iitWF()i2式中，ti為相對坐標。2鋼筋混凝土柱動力彈塑性

7、分析2.1模型幾何參數(shù)為驗證截面纖維單元計算精度和成本，分別建立實體單元模型和纖維單元模型，并對Hideaki等（2004）文章中的正方形截面鋼筋混凝土柱進行動力彈塑性時程分析。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)心點高度為3.0m。地震動輸入為雙向Kobe地震波，加速度峰值N-S向為642gal，E-W向為666gal，時間

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個混凝土網(wǎng)格和48個鋼筋網(wǎng)格。沿軸向離散成25個纖維段和2個用于模擬柱頂附加質(zhì)量的剛性梁單元。混凝土采用Kent等（LS-DYNA，2006）建議的材料本構(gòu)模型。鋼筋采用考慮塑性流動的彈塑性強化模型。實體單元模型中鋼筋與混凝土分別建模。混凝土采用正六面體單元模擬，單元邊長為30mm；鋼筋采用空間梁單元，梁單元長度30mm；鋼筋混凝土之間的粘結(jié)滑移采用一維滑動接觸模型模擬（Sc