混凝土本构模型对柱受力性能影响的数值模拟分析.pdf
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1、第4 1 卷第 1 期 2 0 1 5年 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 2l 混凝土本构模型对柱受力性能影响的数值模拟分析 张紫薇, 夏静, 傅剑平 ( 重庆大学土木工程学院, 重庆4 0 0 0 4 5 ) 摘要: 基于 O p e n S e e s 平台, 分别采用 H o g n e s t a d 、 R fl s c h 、 K e n t - p a r k 三种混凝土受压本构模型, 对已有钢筋混凝土试 验柱进行了低周反复加载模拟, 分析了不同混凝土本构模型的模拟效果。在此基础上, 进行了不同轴压比
2、下混凝 土模型对柱受力性能影响的数值分析。结果表明, 各本构模型的模拟结果均能较为真实地反映混凝土柱实际承载 力和延性规律 ; 混凝土模型对柱正截面承载力的影响不大, 而对延性的影响在轴压比较大( n 10 3 ) 时显著。 关键词: 数值模拟; 混凝土本构模型; 低周反复加载 中图分类号: rI U 5 2 8 1 ; T U 3 7 5 3 文献标志码: A 文章编号: 1 0 0 8 1 9 3 3 ( 2 0 1 5 ) 0 1 0 2 1 0 5 Nu m e r i c a l s i mu l a t i o n a n a l y s i s o f t h e e f f e
3、 c t o f c o n c r e t e c o n s t i t u t i v e m o d e l o n m e c h a n i c a l b e h a v i o r o f c o l umn s Z HAN G Z i w e i , XI A J i n g , F U J i a n p i n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g , C h o n g q i n g U n i v e r s i t y , C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 5 , C h i n
4、 a ) A b s t r a c t : Wi t h fi n i t e e l e m e n t a n a l y s i s p r o g r a m ( O p e n S e e s ) , l o w r e v e r s e d c y c l i c l o a d i n g w a s s i m u l a t e d o n t h e t e s t e d R C c o l u m n w i t h d i ffe r e n t c o n s t i t u t i v e mo d e l s i n c l u d i n g Ho g n
5、 e s t a d, RU s e h a n d K e n t p a r k An d s i mu l a t i o n r e s u l t s we r e s t u d i e d I n a d d i t i o n, t h e e ff e c t o f c o n s t i t u t i v e mo d e l o n me c h a n i c al b e h a v i o r o f c o l u mn s u n d e r d i ff e r e n t a x i al l o a d r a t i o s w a s a n al
6、y z e d n u me ri c a ll y I t i s f 0 u n d t h a t s i mu l a t i o n r e s u l t s o f t h e 3 d i ff e r e n t c o n s t i t u t i v e mod e l s c a n t r u l y r e fl e c t b e n d i n g c a p a c i t y a n d d u c t i l i t y o f r e al RC c o l u mn s Re s u l t s als o s h o w t h a t c o n
7、c r e t e mo d e l h a s l i t t l e e ff e c t o n n o r ma l s e c t i o n b e n d i n g c a p a c i t y o f R C c o l u mn s b u t s i g n i fic a n t i mp a c t o n d u c t i l i t y, e s p e c i a l l y u n d e r a h i g h axi al l o a d r a t i o( n t0 3 ) Ke y wo r d s : n u me ri c al s i mu
8、 l a t i o n; c o n c r e t e c o n s t i t u t i v e mo d e l ; l o w r e v e r s e d c y c l i c l o a d i n g 0 引 言 混凝土本构模型是采用数值方法研究混凝土结 构和构件受力性能的基础。国内外对混凝土本构关 系进行了大量研究 。然而 , 这些工作多数局限于 混凝土材料力学性 能和混凝土构件受力性能方 面, 很少采用不同的混凝土模型对不 同条件下构件受力 性能模拟结果进行对 比的研究 。众所周知, 结构和 构件 中的混凝土处在不 同的受力条件下将有不同的 性能反应 , 目前混凝土
9、受压本构模型较多 , 不同的模 型对不同受力条件下构件的模拟结果有多大的误差 还不得而知 , 这也是进行数值模拟分析关心的问题 。 本文采用 O p e n S e e s 非线性有限元分析软件, 分别选 用 了应用较多的 H o g n e s t a d 、 R t i s c h 、 K e n t p a r k三种混 凝土受压本构模 型, 对 已有 的钢筋混凝土试验柱进 收稿 日期 : 2 0 1 3 1 2 - 2 3 作者简 介: 张紫薇 ( 1 9 9 2一), 女 , 硕 士研究生 , 研究方 向为结构抗震 。 E m a i i : 31 3 8 3 9 2 7 2 q q
10、 c o m 行 了低周反复加载下 的模拟 , 获得 了相应 的模拟滞 回曲线 , 并比较了采用不同本构模型时混凝土柱 的 受力性能与试验滞 回曲线的吻合程度。最后利用分 析软件分析了在不 同轴压 比条件 下, 各混凝土模型 对混凝土柱承载力 以及延性的影响。 1 试件及加载制度 本文模拟的试件为文献 6 中的柱子。柱 的几 何尺寸为 3 5 0 mm 3 5 0 m m1 5 5 0 mm, 表 1给出了 试件的基本参数。混凝土保护层厚度取 2 0 m m, 箍 筋加密区高度取 5 0 0 m m, 试件尺寸及配筋情况如图 l所示 。 文献 6 试件为低周反复加载试 验, 采用悬臂 柱 自由
11、端进行加载 , 轴压 比为 0 3 5, 加载装置如图 2 所示 。屈服前采用力控制加载 , 在逐步施加水平荷 载时 , 随时监控柱端控制截面的钢筋应变 , 至受拉钢 筋屈服 ; 试件屈服后改为位移控制加载 , 以屈服位移 的倍数进行加载, 每级加载下循环两次, 直至荷载降 2 2 四川建筑科学研究 第 4 1卷 到峰值荷载的 8 5 , 认为构件失效 。 表 1 试件基本参数 Ta bl e 1 Ba s i c pa r a m e t er s o f s pe c i me n s 注: 钢筋等级为 H R B 5 0 0 ;f t ,1 5 0为混凝土立方体试块强度实测值; 为加密区
12、箍筋体积配箍率 ; n 为试验轴压比; L d为箍筋间距与 纵筋直径之 比 为钢筋的屈服强度 实测值 。 量 l 1 酋 l 一 基 l2 蜊 l I _ j _ _ L _ I I 景 1 1 l 1 1 l 1 1 1 1 】 1 5 1 1 2 o l 2 0 l 2 0 z mI - o 1 2 o l 1 2 0 1 2 O l 2 O 3 5 l 63 0 l J 2 - _g 2 图 1 试 件尺寸及配筋示意 F i g 1 Di me n s i o n s a n d r e i n f o r c e d d e t a i l s o f s p e c i m e n
13、s l I 反力 墙 = = 图 2 试验加载装置 Fi g 2 Te s t s e t - up 2混凝土本构模型 的选用 2 1 H o g n e s t a d模型 模型的上升段为二次抛物线 , 下降段为斜直线, 如图 3所示 。 = 2 一 ( ( ) o r = f c 1 0 1 5 1 ( s 。 ) cu 一 8 0 式中 峰值应力; 。相 应 于 峰值 应 力 时 的应 变 , 取 s 。= 0 0 0 2; 极 限压应变 , 取 。 = 0 0 0 3 8 。 图 3 H o g n e s t a d模型 Fi g 3 Hog ne s t a d m o de l
14、2 2 R a s c h模型 。 模型上升段为二次抛物线 , 水平段为直线 , 如图 4所示 。 = 【 2 旦B 0 一 ( ) 】 ( 。 ) or = ( 0 。 ) 式中, c 峰值应力 ; 。相应 于峰 值应 力 时 的应 变 , 取 = 0 0 02; 8 极限压应变 , 取 8 = O 0 0 3 5 。 图 4 R t t s c h模型 Fi g 4 Ri i h mod e l 2 3 K e n t p a r k模型 考虑箍筋约束 的 K e n t p a r k模型如图 5所示 , 其 主要公式为: : 甄 一 ( 门( o o o 2 ) or=K f 1 一Z
15、 ( s 一 0 0 0 2 K ) ( 。 0 0 0 2 K ) or =0 2 K L ( 2 0 ) Z = K= 0 5 3+O 2 9 f + 0 7 5 p s _ 0 0 0 2 K 0 0 2 K - +学 2 0 1 5 N o 1 张紫薇 , 等: 混凝土本构模型对柱受力性能影响的数值模拟分析 2 3 式中 考虑箍筋约束对混凝土受力性能的增 强系数 , 根据 S a a t c i o g l u m 模型取值 ; 。混凝 土强 度下 降到 2 0 时对应 的应 变, S c o tt 等人 “ 建议取 2 0 = 0 0 0 4+ 0 ( ) ; P 箍筋体积配箍率 ;
16、 箍筋屈服强度 ; 混凝土抗压强度 ; B 从箍筋外边缘起算的核心区混凝 土宽 度; s 箍筋间距。 3 数值模 拟分析 本文 采 用 非 线 性 有 限元 分 析 软 件 O p e n S e e s ( O p e n S y s t e m f o r E a r t h q u a k e E n g i n e e r i n g S i mu l a t i o n ) 进行数值模 拟分 析。O p e n S e e s采用纤维 模型 对构 件进行模拟。构件需满足以下基本假定: 20 0 1 0 0 喜 o 1 o 0 20 0 一 8 0 40 0 40 80 mm ( a
17、) Cl Ho g n e s d 模型 1 ) 平截面假定 , 即不考虑剪切变形与扭转变形 影响 ; 2 ) 在截面变形过程中 , 各纤维均处于单轴应力 状 态 。 因此 , 截面力与变形之间的非线性关系能完全 根据相应各纤维单轴应力应变关系计算得到。程序 中钢筋本 构关系模 型选用 M e n e g o t t o和 P i n t o 提 出 、 F i l i p p o u等人 到修正 的考虑钢筋等 向硬化 的模 型 。试件初始轴压 比为 0 3 5 。加载规则 与试验 相同, 先采用单项逐级加载分析 , 根据钢筋屈服应力 找到屈服荷载, 对应柱顶位移为屈服位移 , 然后以屈 服位
18、 移 倍 数 控 制 加 载 。 图 6分 别 给 出 了 c 1 ( H o g n e s t a d ) 、 C 2( R t i s c h ) 、 C 3( K e n t p a r k ) 混凝土本 构模型模拟得到的试 件力一 位移滞 回曲线 与试件试 验得到的力一 位移滞回曲线的对比。采用峰值力评 价混凝土柱承载力 , 位移延性系数即柱加 载端 的极 限位移与屈服 位移之 比评价其 延性。极 限位移取 8 5 峰值荷载对应的柱顶位移 。峰值力和位移延性 系数对 比见表 2 。 表 2 各混 凝土模型 与试 验峰值力和位移延性 系数对 比 Ta b l e 2 Co m p a
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