考虑应变率效应的钢筋混凝土框架结构弹塑性地震反应分析.pdf
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1、第 2 8卷 第 3期 2 0 l 1年 9月 建筑科 学与工程 学报 J o u r n a l o f Ar c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g Vo1 2 8 Se p t NO 3 2 O1 1 文 章 编 号 : 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 O 1 1 ) 0 3 0 0 7 4 0 9 考虑应变 率效应 的钢筋 混凝 土框 架结构 弹塑性地震反应分析 皓 , 李宏 男 ( 大连理工大学 建设 工程 学部, 辽宁 大连 1 l 6 0 2 4 ) 摘 要 : 利 用有 限元软 件 AB AQU
2、S对钢 筋 混凝 土 框 架 结构 构件 中混 凝 土应 变率 进 行 了分 析 , 将 梁 、 柱 的弹 塑性在 应 力一 应 变层 次上进 行模 拟 ; 研 究 了多维地震 输入 下应 变率效 应对 钢 筋混 凝 土框 架结 构 弹 塑性地 震反 应 的影响 以及 同一 地震 波不 同峰值 加 速度 下钢 筋混凝 土 弹 塑性 地 震反 应的 应 变率 相 关性 , 对 比分 析 了考虑 应 变率与 未考 虑应 变率 下的 弹塑性 地震 反应 的 差别 。研 究结 果表 明 : 框 架 柱的应 变率 明显 大于框 架 梁, 并且 上部 构件 的应 变率 小 于下部 构件 , 构件跨 中截
3、面的应 变率 小 于端 部 截 面 ; 考虑 应 变率 效应 时结构 的位 移反 应 、 基 底 剪 力和 弯矩 发 生 改 变 , 峰 值 加 速 度较 大 的地 震 波 作 用 下应 变率效 应更 为显 著 , 应 变率效应 对钢 筋混 凝 土框 架结构 弹 塑性地 震反 应存 在一 定 的影响 , 尤其对 强震 下结 构进 行抗 震分析 时应适 当予以考虑 。 关键 词 : 钢 筋混凝 土框 架 结构 ; 应 变率效应 ; 弹塑性地 震反 应 ; 有 限元模 型 中图分 类号 : TU3 1 1 3 文献标 志码 : A El a s t i c pl a s t i c S e i s
4、 m i c Re s po ns e Ana l y s i s o f Re i n f o r c e d Co n c r e t e Fr a m e S t r u c t u r e wi t h S t r a i n Ra t e Ef f e c t ZHAN G H a o。I I H o n g na n ( Fa c ul t y of I nf r a s t r u c t ur e Eng i n e e r i n g,Da l i a n Uni ve r s i t y o f Te c hn ol og y,Dal i a n 11 6 02 4,I i
5、 a oni n g,Chi na) Abs t r a c t :Th e s t r a i n r at e s o f c o nc r e t e i n r e i n f o r c e d c o nc r e t e f r a me s t r u c t u r e me mbe r s We r e a n a l y z e d b y u s i n g f i n i t e e l e me n t s o f t wa r e ABAQUS Th e b e a m a n d c o l u mn e l e me n t n o n l i n e a r
6、 i t y wa s mod e l e d i n s t r e s s s t r a i n r e l a t i o n l e v e 1 El a s t i c p l a s t i c s e i s mi c r e s po ns e s o f r e i n f o r c e d c on c r e t e f r a me s t r uc t ur e wi t h s t r a i n r a t e e f f e c t und e r m u l t i di r e c t i on a l e xc i t a t i o n we r e
7、 s t ud i e d Th e s e i s m i c r e s p on s e s wi t h s t r a i n r a t e e f f e c t s we r e a n a l yz e d und e r s a m e s e i s m i c wa v e a nd d i f f e r e nt pe a k a c c e l e r a t i o ns Th e r e s ul t s wi t h s t r a i n r a t e we r e c o mpa r e d wi t h t h os e wi t ho ut s t
8、 r a i n r a t e t O s t u d y t he di f f e r e nc e i n t h e e l a s t i c p l a s t i c s e i s mi c r e s po ns e Th e s t u dy r e s ul t s s h ow t h a t t he s t r a i n r a t e s i n be a m e l e m e n t s a r e s ma l l e r t h a n t h o s e i n t he c o l u mn e l e m e nt s Th e s t r a
9、i n r a t e i n t he e l e m e nt i S s ma l l e r o n u ps i d e, a nd i t i s a l s o s ma l l e r i n t he s e c t i on o f t he m i d s pa n The d i s p l a c e m e nt r e s p o ns e,ba s e s he a r a nd m o me nt o f s t r u c t u r e we r e c ha ng e d whe n t h e s t r a i n r a t e e f f e c
10、 t s a r e t a ke n i nt o a c c ou nt Th e s t r a i n r a t e e f f e c t und e r t he s t r o ng e r s e i s m i c wa ve i s mor e p r o m i n e nt The e l a s t i c pl a s t i c s e i s m i c r e s p on s e o f r e i n f or c e d c o nc r e t e f r a me s t r uc t ur e i s a f f e c t e d b y t
11、he s t r a i n r a t e The s t r a i n r a t e e f f e c t s s ho ul d b e c o ns i d e r e d p r o pe r l v i n t he s e i s m i c a na l y s i s 收 稿 日期 : 基 金 项 目 : 作 者 简 介 : 2 O 1 1 0 4 0 7 “ 十一五” 国家科技支撑 汁划重大项 目( 2 0 0 6 B AJ 0 3 A 0 3 ) ; 国家 自然科学基金重大研究计划项 目( 9 0 8 1 5 0 2 6 ) 地震行业科研专项项 目( 2 0 0 8
12、 0 8 0 7 4 ) ; 高等学校学科创新引智计划项 目( B 0 8 0 1 4 ) 张皓( 1 9 8 3) , 男, 辽 宁昌图人 , 工学博士研究生 , E - ma i l : z h a n g h a 0 1 9 8 3 O 7 1 0 y a h 。 o c 。 n 1cn 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 张 皓 , 等 : 考 虑应 变率效应 的 钢 筋混凝 土框 架 结构 弹塑性 地震 反应 分析 7 5 u nd e r i n t e n s e gr o un d m o t i o n Ke y wo r d s:
13、r e i nf o r c e d c on c r e t e s p on s e;f i n i t e e l e me n t mo de l U 5 l 吾 钢 筋混 凝 土结 构是 目前 工业 及 民用建 筑 中应用 最为广泛的一种结构形式。当其遭受到地震等动力 荷 载作 用时 , 它 的材 料 性 能 与 静 力 荷 载 作 用下 的性 能相 比有着显 著 的不 同 , 也就 是材 料 的应变 率效 应 。 由于应 变率 效应 的存 在 , 钢 筋 和 混 凝 土 的 动 态力 学 行 为 , 其 中包 括 混凝 土 的抗压 强度 和抗 拉强 度 、 钢筋 的屈 服 强度 和
14、极 限 强 度都 将 有 一 定 的提 高 , 而这 一 变化将会影响到整体结构的动力性能 , 因此 , 应变率 效 应 的影 响应予 以重 视 。 关 于应 变率 对钢 筋 和混凝 土 动态 力学 行为 的影 响 , 各 国学 者 已 经 取 得 了 一 定 的 研 究 成 果 。林 峰 等 I 研究 了建 筑 钢筋 在 应 变 率 为 2 8 0 S 下 的力 学行 为 , 给 出 了以钢 筋 力 学 性 能 特 征值 为基 础 的建 筑钢筋本构模型 , 结果表明, 所提出的模型能够很好 地 反 映建 筑钢 筋 动力 效 应 的本 质 , 可 以用 来 描 述 应 变率小于 2 S 的建筑
15、钢筋力学行为。李敏 等 试 验研 究 了建筑 钢 筋在地 震 动力 荷载 应变 率 范 围内的 力学 和变 形行 为 , 结果 表 明 , 应 变率 敏感 性 的大小 与 准静 态屈 服强 度 有很 大 关 系 , 相 同应 变 率 下 循 环 加 载 的骨架 曲线 与单 调 加 载 的拉 伸 曲线 基 本 重合 , 并 基于 Ma t t h e w模 型 提 出 了一 种 钢 筋 动态 循 环 本 构 模 型 , 它 能够 很好 地描 述钢 筋 的动态 行 为 , 可 以在 结 构 抗震 分 析 中应 用 。S c o t t 等 研 究 了 混 凝 土 在 高 应 变 率 下 的抗 压
16、特性 , 建 立 了混 凝 土 单 轴 抗 压 率 的 相 关 本 构模 型 ; C o we l l 等 首先 对 混 凝 土在 高应 变 率下 的抗 拉特性 进 行 了试验 研究 , 结 果表 明 。 高应 变率 下 混 凝 土 的强度 和 刚度 都 有 提 高 , 并 且 提 高 的幅 度要 高 于受 压 的情 况 。Ta k e d a等对 大量 的 小 尺 寸混 凝 土 板在 高应 变 率下 的 变 形 特性 进 行 了研 究 , 高应 变 率 下 的极 限荷 载 提 高 了近 2倍 。F u等 对 钢 筋 混 凝 土梁 在高 应变 率 下 的 抗 弯 性 能进 行 了试 验 研 究
17、 , 高 应 变 率 下 梁 的 抗 弯 承 载 力 提 高 了 3 O 。方 秦 等 以粘塑性 应变率为粘性参数 , 建立 了粘塑性本 构模型以描述材料的动态特性 。吴建营等 通过对 损 伤 释放 率 阀值 的 P e r z y n a粘 性 规 则 化 , 将 混 凝 土 静 力 弹塑性 损伤 本 构 模 型 进 行 动力 推 广 , 得 到 了基 于 能量 的弹 塑性 损 伤 本 构模 型 , 此模 型 能够 很 好 地 描 述混 凝土 在 动力作 用 下 的应 变 率效 应 。林 峰等 基 于 四段式 约 束 混 凝 土 单 轴 受 压 应 力一 应 变 曲线 和 混凝 土 动力试
18、验 结 果 , 给 出 了 一 定 范 围应 变 率 作 用 下 约束 混凝 土动 力损 伤延 迟参 数 的确定 方法 。 虽然地震作用下应变率效应问题已经引起了研 究者的重视 , 但 目前在钢筋混凝土结构弹塑性时程 分析 中考 虑应 变 率效应 的研究 尚不 多见 。S h i ma z a k i 等 应用 三单元 Ma x we l l 模 型提 出了一种钢筋 混凝 土 剪力 墙 结 构 考 虑 应 变 率 效 应 的 简 化 分 析 方 法 。Na g a t a k i 等 应 用 三 单 元 Ma x w e l l 模 型 对 钢 筋混 凝 土构件 进 行 了分 析 , 并 考虑
19、 了应 变 率 效 应 和 应力 松 弛 。F u j i mo t o等一 明提 出 了一 种 基 于 三 单 元 Ma x we l l 模 型 的分 析模 型 , 并 在 考 虑 应 变 率 效 应 的 同时对框 架结 构 的地震 反 应进 行 了分析 。本 文 中分 别采 用笔 者提 出 的钢筋 动 态本构 模 型和混 凝 土弥散 开裂 本构 模 型 , 对 钢 筋 混凝 土框 架 结 构 进 行 了弹 塑 性 时 程分 析 , 研 究 了应 变率 效 应 对 钢 筋 混 凝 土框 架 结 构 弹塑性 地 震反 应 的影 响 。 l 结构模型设计与有 限元模型 的建 立 首先 采 用
20、P KP M 软 件 建 立 钢 筋 混 凝 土框 架 结 构 模 型 , 根 据 中 国现 行 混凝 土结 构 设 计 规 范 ( G B 5 ( ) ( ) 1 0 2 0 0 2 , 以下 简称 规范 ) 1 要求 计 算 得 到 配筋 结 果 , 在此 基础 上 , 采用 有 限元 软 件 AB AQus建 立 结 构 的有 限元 模型 。 1 1结构 模 型设 计 建筑场地类型为 类, 抗震设防烈度 8度 , 设计 地 震基 本 峰值加 速 度为 0 2 g( 髯为重 力 加 速 度 ) , 设 计 地震 分组 为 第 1 组 , 框 架抗 震等 级 为二级 , 周 期折 减系数为
21、1 0 。模型框架层高 3 3 m, 共 3层 , 如 图 1 所 示 。梁 的 截 面 尺寸 2 5 0 mm 5 0 0 mm, 柱 截 面 尺寸 4 0 0 mm4 0 0 mm。混 凝 土 强 度 等 级 均 采 用 C 3 0 , 纵 筋选用 HR B 3 3 5 , 箍 筋选用 HP B 2 3 5 , 见 表 1 。 表 l 模 型设计 参数 Tab 1 De s i g n Pa r a m e t e r s o f M o de l 结 构构件 混凝土强度等级 纵筋 型号 箍筋型 号 框架柱 ( 3 0 8 1 6 0 8 l 5 0 框 架 梁 C 3 O 6 1 8 8
22、 2 0 0 1 2有 限元模 型 的建立 应 用有 限 元 软 件 AB AQUS对 结 构 进 行 建 模 , 并用 隐式 直 接 积 分 来 进 行 求 解 。采 用 梁 单 元 B 3 l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 6 建筑科学与工程学报 2 0 1 1年 ( a ) 正立 面 7 7月 卜 曼 I ( b ) 侧 立面 图 1 结构模型( 单位 : mm F i g 1 Mo d e l s o f S t r u c t u r e( Un i t : mm ) 模拟结构中的梁 和柱 , 采用壳单元模 拟混凝土板 。 用 RE B AR关
23、键字 对 梁单 元 进 行 配 筋 , 配 筋 与结 构 实 际配 筋相 一致 , 结构 有 限元模 型 如图 2所示 。 图 2有限元模型 Fi g 2 Fi ni t e El e m e nt M o d e l 2 材 料模 型 分 析采 用混 凝 土 弥 散 开 裂 本 构 模 型 ( C S C) , 它 是基于弹塑性理论框架, 使用定 向损伤弹性( 弥散裂 纹 ) 以及 各 向同性 压 缩 塑性 来 表示 混 凝 土 的非 弹性 行 为 1 “ J 。 2 1 拉伸 强化 失 效 的后 续 行 为 是 通 过 拉 伸 强 化 模 型来 定 义 的 , 它 可 以定 义 产生 裂
24、纹 后 混凝 土 的应 变 软 化 行 为 以及钢筋与 昆凝土之 间 的交互作用 。失效后 的应 力一 应 变关 系通 过 指 定 失 效 后 的 应 力 与 穿 越 裂 纹 的 应变之间的关 系来实现 , 如 图 3所示 , 其 中, 为应 力 , 为应 变 , 、 e 分 别为失效点 的拉应力 和拉 应 一 u 变 , e 一 , E为 弹性 模量 。 L 2 2压缩 行为 当 主应 力 分 量 为压 缩 应 力 时 , 用 等 效 静 水压 力 和 Mi s e s 等效 偏斜 应力 表示 屈服 面 , 如 图 4所示 , 其 中, 为单 轴受 压失 效应 力 , 其 函数 表 达式 为
25、 图 3拉伸强化模型 Fi g 3 M o de l o f Te ns i on St i f f e ni ng 图 4 p - q面 上的屈服与失效 Fi g 4 Yi e l d a nd Fa i l u r e o n p- q Pl a n e f 一q 一 3 n 。 P 一 3 r 一0 ( 1 ) 式 中 : -厂 c 为 结 构 中混 凝 土 的抗 压 强 度 ; 为 等 效 静 水压力, P 一一 : I , 为应力弹量, 为单位弹量; q 为 M ise s 等 效 偏 应 力 ,q 一 号 : S一 ,S一 为 偏 压 力 张 量 , 亏 一卢 + ; n 。为混
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