强震作用下钢筋混凝土结构的数值模拟.pdf

江苏建筑 2 0 1 2年第 5期 ( 总第 1 5 0期 ) 强震作用下钢筋混凝土结构的数值模拟 尹7 ) - 云 - ， 缪志伟 ， 金仁 才 ， 余华春 f 中国十七冶集团有限公司。 安徽马鞍山 2 4 3 0 0 0 ； 东南大学土木工程学院， 江苏南京 2 1 0 0 9 6 ) 摘 要1 强震作用下建筑结构的抗倒塌能力是基于性能抗震设计的核心目 标，故对建筑结构在强震作用下的复杂非线 性行 为特 别是倒塌破 坏模 式进行模拟和预测对 于研究建筑物的安全性以及评估地震损 失有重大意义。基于 目前 结构数值模 拟 的最新研 究进展 利用大型通 用有 限元 分析软件 MS C M A R C平台 ， 提 出可用于钢 筋混凝土框架剪力墙结构地震响应分析 的弹塑性数值分析模 型 并通过一 个实际算例 演示该分析模型在模拟 R C框剪 结构 强震作 用下倒 塌过 程 ， 表 明其 可用于 R C 框 剪 结 构 复 杂抗 震 非 线性 行 为 的模 拟 和 预 测 f 关键 词1 钢筋混凝土结构； 数值模拟； 弹塑性时程分析； 抗震分析； 倒塌过程 f 中图分类号1 T U 3 5 2 1 1 f 文献标识码1 A f 文章编号 1 o o 5 6 2 7 0 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 0 2 5 0 5 Nu me r i c a l S i mu l a t i o n o f Re i nf o r c e d Co nc r e t e St r u c t u r e s un de r S t r o ng Ea r t h qu a ke s YI N Wa n - y u n MI AO Z h i - we i J I N R e n - c a i YU Hu a - c h u n ( 1 C h i n a Me t a l l u r g i c a l G r o u p C o r p o r a t i o n ， Ma a n s h a n An h u i 2 4 3 0 0 0 Ch i n a ； 2 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， S o u t h e a s t Un i v e r s i t y ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 9 6 C h i n a ) Ab s t r a c t ： S t r u c t u r a l c o l l a p s e s a f e t y u n d e r s t r o n g e a r t h q u a k e s i s t h e m o s t i mp o rt a n t o b j e c t i v e o f p e r f o r m a n c e b a s e d s e i s mi c d e s i g nS o i t i s ne c e s s a r y t o p r e c i s e l y s i mu l a t e t h e c o mp l e x n o n l i n e a r be h a v i o r s e s p e c i a l l y t h e p o t e n t i a l c o l l a p s e mo d e o f t h e s t ru c t u r e Ba s e d o n t he n e w pr o g r e s s o f s t ud y o n s t r u c t u r a l nu me r i c a l s i mul a t i o n ， e l a s t o - p l a s t i c n u me ri c a l a n a l y t i c al m o d e l f o r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( R C ) f r a me - s h e a r - w a l l s t ruc t u r e s a r e p r o p o s e d t hr o u g h t h e g e n e r a l -p u r p o s e f i n i t e e l e me n t p a c ka g e o f MSC Ma r c t ha t c a r r i e s s i g ni f i c a n t c a p a c i t y o f s o l v i n g no nl i n e a r p r o b l e ms Dy n a mi c t i me- hi s t o r y a n a l y s i s for a 1 8一s t o r e y RC f r a mes h e a r wa l l s t ru c t ur e d e s i g n e d a c c o r d i n g t o t h e c u r r e n t C h i n e s e c o d e for s e i s mi c d e s i g n a r e c a r r i e d o u t t o i l l u s t r a t e t h e c a p a c i t y o f t h e p r o p o s e d mo d e 1 An d t h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r o p o s e d mo d e l c a n s i mu l a t e t h e c o l l a p s e p r o c e s s o f t h e s t r u c t u r e u n d e r s t r o n g e a h q u a k e wi t h a n e x c e l l e n t n o n l i n e a r a n aly s i s c a p a c i t y K e y wo r ds： r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t ru c t u r e ；n u me r i c a l s i mul a t i o n ；e l a s t o -p l a s t i c t i me -h i s t o r y a na l y s i s ；s e i s mi c a n a l y s i s ；c o l l a p s e p r o c e s s 0引言 建 筑结构 的抗倒 塌能力 是基 于性 能抗 震设计 的核 心 目标 故对 建筑结构在强震作用下的复杂非线性行 为特 别 是倒 塌破坏模式进行模拟和预测对于研究建筑物 的安全性 以及评 估地震损失有重大意义 。 但是 传统 的结 构弹塑性 数 值分析 模型在应用时带有很多的假定 使其模拟结果 与结 构 的实际弹塑性行为产生差异 。 如层模型 、 集 中塑性 铰杆模 型 、 剪力墙宏 模 型等 ， 在反 映杆 件双 向压一 弯耦合 、 剪力 墙 ( 简 体 ) 的面 内外压一 弯耦合 和压一 剪 耦合 、 适 应各 种钢一 混 凝 土组合构 件 、 各 种约束 混凝土构件 和剪力墙 ( 筒 体 ) 边 缘 约束构 件 以及真实反映实际结构复杂的三维空 间弹塑性 基金项 目：自保 温墙 体装 配整体式框架 结构 的关键技 术研 究 东南 大学创新 基金 行为等方面 均存在各种不足 1 另一方面 ， 在上述这些结构 弹 塑 性 近 似 分 析 模 型 中 各 种 基 于 构 件 层 次 的 滞 回模 型 的 确定 也成为结构 弹塑性分析 的瓶颈 。 随着计算机能力 的快 速提升 采用 直接 基于材料层 次本构 滞回模 型 并按实 际结 构情况建模的弹塑性分析方法 成为结构弹塑性分析 的发 展趋 势 本文基于 目前结 构弹塑性数值模拟 的最 新研究进展 利用大型通用 有限元分析软件 MS C M A R C平 台 提 出可 用 于高层 R C框架剪力 墙结构地震响应分析 的弹塑性数值分 收稿日1 2 0 1 2 0 5 2 5 作者简介】 尹 万 云 ， ( 1 9 6 3 - ) ， 中 国 十 七 冶 集 团 有 限 公 司 ， 教 授 级 高 级 工 程 师 ， 总 工 程 师 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 2年第 5期 ( 总第 1 5 0期 ) 析模 型 并通过一 个实际算例 演示该分 析模 型在模拟 R C 框 剪结构强震作用下倒塌过程 、验证其 应用于 R C框剪结 构地震响应的有效性 1 分析 模 型 介绍 l _ l 纤 维 梁模 型 对 于 R C框剪结构 中的 R C框架 部分 本 文采用 文献 f 2 3 1 所 开发的纤 维梁模 型来模拟 。 该模型 以 MS C MA R C中 的 5 2号梁单元为基础 并通过 MS C MA R C提供的 U B E A M 用户子程序接 口嵌入相关程序实现 在 U B E A M 子程 序中 基于纤维模型原理将杆件 的截面划分成若干纤维 纤维间 的变形 协调采用 平截 面假 定 由于每个纤维均为单轴受力 故 可用 材料 的单轴应 力应 变本构关 系来描述纤维材料 的受 力 特性 并通过对各纤维 的应力积分获得杆件截面内力( 图 1 ) 。 该 纤维梁模 型适 用于长细比较 大 、 杆件变形以弯曲变形 为主的杆 系结构 的模 拟 因而可 以用 来分析 R C框架结构 。 它具有以下优点 ： 用户可以根据实际杆件 的截 面形 状而 自由定义每根纤维的截面位置 、 面积 因而可适用于各种截 面形状 ( 如异形 柱) 和各种组合构件( 如钢筋混凝土 、 钢骨混 凝土、 钢管混凝土构件) ； 由于杆件截面内力可以通过各 纤 维 的应力积 分获 得 因而能够 准确考 虑单 向和双 向轴 力一 弯矩的耦合 ：用 户可 以根据 实际需要 自定 义纤维 的 单轴 本构关 系 例如在计算条件允许的情况下 可采用更加 精细的材料单轴本构关系用于分析 以获得更为精确 的杆 件弹塑性行为模 拟结 果 在纤维梁模 型中 选择合理的符合实际受力特点的材料 本构关 系 对提高结构弹塑性分析效率和保证结果 的准确性 有重要影响 本文采用文献日 中所提出的混凝土和钢筋本构 关 系 混凝土本构关 系可 以合理反映受压混凝土的约束效 应 、 循环往复荷 载下 的滞回行为( 包括刚度 和强度退化) 和受 拉混凝土的“ 受拉刚化效应 ” ( 图 2 ) 。而钢筋本构关系则在再 加 载路径 上能合理 考虑钢 筋材料 的 B a u s c h i n g e r 效 应( 图 3 ) 。图 2 一 图 3中各参数详细含义可参阅文献 f 2 3 1 。 节点 1 单元积分点 图 1 纤 维 梁 单 元 示 意 图 2 纤 维 梁 模 型 的 混 凝 土 本 构 关 系 图 3纤 维 梁 模 型 的 钢 筋 本 构 关 系 1 2 分层 壳剪 力墙模 型 为了较好 的解决剪 力墙 和筒 体的非 线性数值 模拟 问 题 ， 文献 3 4 1 5 于 MS C MA R C所 提供 的 7 5号厚 壳 ( 分 层 壳 ) 单 元开发了分层壳剪力墙模型 。 分层壳墙模型是将一个 壳单 元划分 成很 多层 ( 图 4 1 ， 各 层可 以根 据需要 设 置不同 的厚度 和材料性质 ( 混凝土 、 钢筋 ) 。在有 限元计算 时 首先 得 到壳单元 中心层 的应变和 曲率 然后根据各层材料之 间 满 足平截 面假定 就可 以由中心层应变和曲率得到各钢筋 和混凝 土层 的应 变进而 由各层 的材料本构方程得到各层 相应 的应力 再积分得到整个壳单元的内力 与已有 的剪力 墙宏观分析模型I 1 】相 比 分层壳 墙模 型可 以直接将混凝 土和 钢筋材 料的本构行 为与剪力墙 的非线 性行 为联 系起 来 不 仅 可以考虑 面内弯曲一 剪切 的耦合作 用 还可 以考虑 面内一 面外弯 曲的耦合 在描述实际剪力墙复杂非线性行为方面 有着 明显 的优势 特 别是对 于由多片剪 力墙组成 的简 体 ， 采 用分层壳墙模型可 以较准确的模拟其空间受力性能 图 4分 层 壳 单 元 利用分层壳墙模型建模 时 考虑到剪力墙 中竖 向和水 平 分布筋一般分 布均匀 的特点 可选用 “ 弥 散” 钢 筋建模方 式 。 这是通过在分层壳单元 中加入适 当的钢筋材料层 。 将分 布钢筋弥散到这些钢筋层 中来实现 的这一建模方式可大 大简化 建模 工作 另外 由于剪力墙边缘暗柱 、 连 梁等特殊 配筋部位的钢筋分布很不均匀 还有 可能存 在交 叉斜向配 筋等布筋形 式 可以采用“ 离散 ” 钢筋建模 来较为准确 的模 拟实际情况 即将钢筋单独用杆件单 元( 桁架单元 、 梁单 元) 加 以模拟 在这一 建模方 式 中 利用 MS C MA R C的“ I N S E R T S ” 功能 就 能够使杆单元模拟 的钢筋 和壳单元模拟 的 混凝土之 间位移协调并共同工作 避免了设定对应节点 自 由度耦合 的繁杂操作 从 而大大简化建模工作量 便于实 际 应 用 ( 图 5 ) _圳 在分层 壳墙 模型 中出于计算量和精 度的综合考虑 常 用 的 弹 塑 性 一断 裂 本 构 关 系 即 可 满 足 工 程 结 构 对 于 昆凝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 2 结 构 分 析 模 型 由于仅对结 构 Y方 向进行地震 响应分 析 故在 MS C MA R C中建立原结 构在 Y方 向的平面有 限元 分析模 型 如 图 l 1 所示。建模时按照保 持结构 Y方向框架 和剪力墙 的 相对 刚度不变的原则 ， 取 Y方 向一 片框架和相 应厚度的剪 力墙 ( 配筋根据厚度进行折减) 。 在该有限元分析模型 中 利 用 上 文所 述 的纤 维 梁 模 型 来 模 拟 框 架 柱 和 框 架 梁 同时 利 用分层壳剪力墙模 型模拟剪力墙 中的墙肢和连梁 墙体分 布钢筋采用 “ 弥散 ” 方式建模 而墙肢约束边缘 构件和连 梁 中的纵筋 采用 “ 离散” 方式模拟 。 另外 ， 利用 软件 中的 l i n k属 性在 剪力墙和框架 之间设置 铰接链杆 以模拟两部分通 过 楼板协同工作 。分析中采用 R a y | e i 阻尼 ， 并按振型阻尼 比 为 5 确定阻尼参数 同时 结构分析过程中还考虑了 P - 效 应 一一 t 口 啕 口一 r 一 O j o 墙 图 1 1 RC 框 剪 结 构 平 面 有 限 元 分 析 模 型 4 强震 作 用 下 的 弹 塑 性 时 程分 析 结 果 对该结构模型沿水平方 向作 用 E 1 c e n t r o N S f 1 9 4 0 ) 地 震波 ， 进行 弹塑性 时程分析 。为了得到结构 的倒塌过 程 将 地震波峰值加速 度( P G A) 调 整为 8 0 0 g a l 。虽然本算 例的设 计 地 震 烈 度 为 8度 f 0 2 g ) ， 按 抗 震 规 范 其 大 震 所 对 应 的 地 震 动水平 为 P G A= 4 0 0 g a l ， 但是 在实 际地震 中 极震 区遭遇 的 地震烈度可能会大大高于规 范设 防烈度 例如 2 0 0 8年汶川 地 震 的 地 震 区 的设 防 烈 度 大 多 为 6度 7度 而极 震 区 实 际达 到 8度 一l 1度 8 1 因此对 结构在 实际烈 度更高 的这 种 “ 特 大震 ” 作用下的倒塌模式 和抗倒塌性能进行研 究是完全 有 必 要 的 计算结果表 明结 构在相应 于 P G A = 8 0 0 g a l 的特大震作 用下发生 了倒塌 图 1 2给出了本文 R C框剪结构有 限元分 析模 型的倒塌全过程模拟结果 图中浅色线段代表未损伤 的原结构 ， 而深色线段则表示该部位 ( 框架梁 、 连梁 或墙肢 ) 已出现钢筋屈服 深色方格表示该单元处所对应 的墙肢混 凝 土被压碎 图 1 2 f a 】 显示算例在 t = 1 0 2 0 s的时刻 ， 结构 向右侧发 生 了较 大位移 ， 连梁和框架梁已经大量屈服 同时部分墙肢 也 出现 钢筋屈服 的现象 特别是在受弯矩作用较大的底部 而 且 此时右侧底层墙肢的角部 已出现混凝土压碎 的情况 但 是由于墙肢的总体损伤并不严重 截 面的绝大 部分混凝土 仍然可 以继续承受荷载 另外 框架 柱也基本 未发 生屈服 因此整体结构在此时并未发生倒 塌 图 1 2 f b 1 则显示算例在 t = 1 2 0 0 s的时刻 结构 已向另一 侧发生较大位移 导致左侧 底层墙肢的角部出现混凝土压 碎 。此时 ， 由于地震作用 的继续增大 ， 导致结构的损伤持续 累积 。如图 1 2 ( c 1 所示 ( t = 1 2 2 0 s ) ， 左侧 底层墙肢截 面混凝 土 被压碎 的区域迅速增大 由于墙肢是整个结构体系 中的主 要抗侧构件 ， 其损伤增大也导致了结构位移 的迅 速增加 同 时考 虑到 P 效应 框 架柱 的受 力明显增 大 由图 1 2 ( c ) 可 见 底层框架柱全部 出现塑性铰 图 l 2 f d 1 显示算例在 t = 1 2 4 0 s 的时刻 。 随着结 构向左侧 继续 发生位移 左侧底层墙肢截面混凝 土已经全部被压碎 并且这一现象已经扩展到右侧底层墙 肢截 面 而在 图 1 2 ( e 1 对应的 t = 1 2 6 0 s 的时刻 ， 底层所有墙 肢截面均被压碎 结构 已经完全丧失承载力 整体 结构 向左侧 发生的位移已经不 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m