淺談結(jié)構(gòu)彈塑性分析中的混凝土構(gòu)件模型

夏 宇

(中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司，四川成都610041)

1 結(jié)構(gòu)彈塑性分析概述

隨著社會的進(jìn)步，科技的發(fā)展，城市中建筑物的高度、復(fù)雜程度也隨著提升。在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，越來越多的項目需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈塑性分析。結(jié)構(gòu)彈塑性分析目前主要有兩種：靜力彈塑性分析和動力彈塑性時程分析。其中動力彈塑性時程分析是最為先進(jìn)也是運(yùn)用最多的結(jié)構(gòu)彈塑性分析方法。

在結(jié)構(gòu)彈塑性分析的過程中，能量的輸入(水平側(cè)力、地震波)、結(jié)構(gòu)的模擬(結(jié)構(gòu)整體計算模型、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的模擬)、計算方法等等都會對結(jié)構(gòu)彈塑性分析的結(jié)果造成影響，而目前這些問題尚未得到完美解決。故而結(jié)構(gòu)彈塑性分析的目的不是進(jìn)行精確的結(jié)構(gòu)分析計算，而是幫助結(jié)構(gòu)工程師發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)是否存在承載力、剛度等方面的薄弱部位，了解結(jié)構(gòu)在中震及大震作用下的損傷程度以及層間位移角指標(biāo)等等，以便判別結(jié)構(gòu)是否達(dá)到預(yù)期的結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計目標(biāo)。

結(jié)構(gòu)彈塑性分析的過程，其實也是一個能量分析的過程。地震的能量轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的動能、應(yīng)變能、阻尼能、非線性耗能等。在同樣的結(jié)構(gòu)彈塑性分析條件下(能量輸入、結(jié)構(gòu)計算模型、計算方法等相同)，選擇不同的構(gòu)件模型(材料本構(gòu)模型、構(gòu)件恢復(fù)力模型)，也就選擇了不同的構(gòu)件耗能能力(主要針對非線性耗能)，將會得到不同的結(jié)構(gòu)彈塑性分析結(jié)果，尤其是大震作用下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件耗能及損傷情況將會不同，這對判別結(jié)構(gòu)是否滿足預(yù)期的結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計目標(biāo)至關(guān)重要。

2 彈塑性分析中混凝土構(gòu)件模型概述

2.1 框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件模型

目前各結(jié)構(gòu)彈塑性分析軟件采用的桿系構(gòu)件恢復(fù)力模型主要有兩種：基于截面的塑性鉸模型和基于材料的纖維素模型，其中運(yùn)用最多的是塑性鉸模型。理論上講，從塑性鉸模型到纖維素模型的發(fā)展，是從宏觀構(gòu)件到微觀材料的發(fā)展，模型精細(xì)化程度得到提高，模型的適應(yīng)性、精確性也得到了提高。但是由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自身行為的復(fù)雜性(強(qiáng)度退化、剛度退化、剪切捏攏、鋼筋粘結(jié)滑移等)，兩種恢復(fù)力模型孰優(yōu)孰劣目前尚未有定論，故而應(yīng)結(jié)合實際情況進(jìn)行選擇。在過去的40年中，國內(nèi)外對各種結(jié)構(gòu)的塑性鉸恢復(fù)力模型進(jìn)行了研究，提出了各種各樣的塑性鉸模型，如圖1及表1所示。

對于材料的本構(gòu)關(guān)系，主要是混凝土和鋼筋。其中混凝土包括：約束混凝土模型和非約束混凝土模型；鋼筋包括：考慮鋼筋壓屈的模型和不考慮鋼筋壓屈的模型。所有材料本構(gòu)關(guān)系模型的模擬線型分為曲線型、折線型和混合型模型。

圖1 恢復(fù)力模型分類

續(xù)表1

2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)的構(gòu)件模型

目前各結(jié)構(gòu)彈塑性分析軟件采用的面構(gòu)件模型主要有兩種：分層殼模型和纖維素模型，兩者均是基于材料本構(gòu)關(guān)系的模型。剪力墻的分層殼模型原理示意如圖2所示；纖維素模型原理示意如圖3所示。

圖2 分層殼模型示意

圖3 纖維素模型示意

3 某框架結(jié)構(gòu)例子

為了簡要說明不同構(gòu)件模型對結(jié)構(gòu)彈塑性分析的影響，采用PERFORM-3D軟件建立一個三層框架結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級為C30，鋼筋等級為三級，框架梁尺寸為300 mm×500 mm，框架柱尺寸為500 mm×500 mm。

其中框架柱均采用纖維素模型，而框架梁的恢復(fù)力模型分別采用纖維素模型(以下簡稱模型一)和塑性鉸模型(以下簡稱模型二)進(jìn)行分析，兩者的動力彈塑性時程分析結(jié)果如圖4～圖8所示(其結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷程度級別是IO：立即居住)。

圖4 模型一中某框架梁滯回曲線

圖5 模型二中某框架梁滯回曲線

圖6 模型一中結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷程度

圖7 模型二中結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷程度

圖8 構(gòu)件損傷程度圖例

從兩者的框架梁滯回曲線可以看出，塑性鉸模型的耗能能力要優(yōu)于纖維素模型，導(dǎo)致大震下構(gòu)件損傷情況有所不同,與模型一相比，模型二的框架梁損傷較嚴(yán)重，框架柱損傷較輕?？上攵瑢τ趶?fù)雜的超高層建筑結(jié)構(gòu)，選擇不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型對結(jié)構(gòu)彈塑性分析結(jié)果的影響將會更大。

4 結(jié)論和建議

(1)材料的本構(gòu)關(guān)系模型應(yīng)盡量按照結(jié)構(gòu)的實際情況來選擇(比如柱中被箍筋包裹的核心區(qū)混凝土應(yīng)采用約束混凝土本構(gòu)模型)，且本構(gòu)關(guān)系模型宜選用曲線型的本構(gòu)模型以便準(zhǔn)確地反映其耗能能力。

(2)框架梁的恢復(fù)力模型可以選擇塑性鉸模型或者纖維素模型。當(dāng)選擇塑性鉸的恢復(fù)力模型時，宜采用三折線或四折線模型，宜考慮構(gòu)件的強(qiáng)度退化、剛度退化以及剪切捏攏效應(yīng)。其中各個折點位置的取值大小(開裂彎矩、屈服彎矩、極限彎矩等)宜通過有限元構(gòu)件計算軟件(如：XTRACT、SAP2000的截面設(shè)計器等)計算求得。

(3)框架柱的恢復(fù)力模型以纖維素模型為宜，因為纖維素模型可以比塑性鉸模型更好地考慮構(gòu)件的軸力-彎矩耦合滯回行為。

(4)剪力墻構(gòu)件可以選擇分層殼模型或纖維素模型。其中分層殼模型更加細(xì)致，其計算工作量較大，計算時間較長。

(5)對于復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)，宜采用兩種以上軟件，選擇不同的構(gòu)件恢復(fù)力模型分別進(jìn)行計算，以便對比分析。

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