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《火灾下混凝土结构破坏模拟的纤维梁单元模型》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、第26卷第1期计算力学学报Vol.26,No.12009年2月ChineseJournalofComputationalMechanicsFebruary2009文章编号:100724708(2009)0120072208火灾下混凝土结构破坏模拟的纤维梁单元模型3陈适才,陆新征,任爱珠,江见鲸(清华大学土木工程系,北京100084)摘要:为分析和模拟结构构件在火灾下的失效破坏过程,本文基于建筑结构分析中常用的纤维梁单元模型,建立了钢筋混凝土梁、柱构件的火灾破坏数值模型。此模型将构件截面划分成多个纤维,从而可以模拟构件截
2、面的不均匀温度场分布以及高温下混凝土材料的开裂、压碎和钢筋屈服等行为。并根据全拉格朗日描述方法,推导了纤维梁单元的切线刚度矩阵,建立了纤维梁单元的增量求解方程。最后,将本文模型的模拟结果和多个具体试验结果进行了分析比较,进一步验证了模型的可靠性。关键词:纤维模型;梁单元;火灾反应;非线性中图分类号:TU375文献标识码:A上述研究的基础上,基于建筑结构分析中常用的纤1引言维梁单元,建立了钢筋混凝土梁、柱构件的火灾破火灾可以导致建筑物发生局部破坏甚至整体坏模拟模型。模型考虑了火灾下构件的材料与几倒塌,是重要的灾害类型,故
3、结构在火灾下的安全何非线性问题,可以准确模拟高温下混凝土的压[123]问题日益受到重视。国内外已经对各种结构构碎、开裂以及钢筋的屈服行为。通过运用本文模型[4,5][6,7]件、子结构甚至整体结构在火灾下的耐火对多个钢筋混凝土构件的火灾试验进行了分析,结性进行了大量的试验研究。由于火灾试验代价高果表明,本文数值模型的计算结果与试验结果吻合昂,因此数值模拟方法成为研究结构火灾安全性的良好,可以用来分析和模拟混凝土结构构件在火灾重要手段之一,文献[8～11]分别从不同角度,对结下的失效破坏过程。构在火灾下的耐火性能进行了数
4、值模拟。这些研究为本文的工作奠定了良好基础,但也都存在一定2纤维梁单元计算模型的局限性。文献[8]采用实体单元进行分析,计算本文的空间纤维梁单元具有两个结点,每个结量过大,无法用于实际大型复杂结构;文献[9,10]点有6个自由度如图1所示。根据纤维模型理论用梁单元进行分析,但并未考虑结构在破坏时发生的大变形影响,难以真实模拟结构在火灾下的破坏把梁柱截面划分成多个小四边形纤维(包括混凝土过程;文献[11]建立了可以考虑材料非线性和几何纤维和钢筋纤维),这样截面上每个纤维上可以赋非线性影响的梁单元模型,同时也可考虑截面温度
5、予不同的温度和材料模型,并假设:的线性分布,但只针对钢框架,不能考虑钢筋混凝(1)梁可以发生大位移但仍然符合小应变假土结构;文献[12]利用分层壳和纤维梁单元组合形设。成了新的正交各向异性板单元,用于模拟混凝土压(2)垂直中心轴的横截面变形后仍然保持平型钢板组合楼板,在楼板模拟上获得了比较好的结面并且垂直于中心轴。果,但其高温材料模型存在不足。因此,本文在(3)每个纤维只考虑纵向应力。收稿日期:2007203230;修改稿收到日期:20082032281(4)每个纤维可以有不同的材料模型,并且采基金项目:国家“十一五”
6、科技支撑计划(2006BAK01A022用三点高斯积分。09);清华大学基础研究基金(JC2007003)资助项目.(5)不同的纤维可以有不同的温度,但是同一作者简介:陈适才(19792),男,博士;个纤维温度相同,如果构件沿着长度方向温差显陆新征3(19782),男,博士,副教授(Email:luxz@tsinghua.edu.cn).著,可以通过细分单元来解决。第1期陈适才,等:火灾下混凝土结构破坏模拟的纤维梁单元模型73图1纤维梁单元Fig.1Thefiberbeamelement图2纤维位移的表示Fig.2Re
7、presentationfordisplacementoffibers图3xz平面内变形图Fig.3Deformationsinplanexz图4yz平面内变形图Fig.4Deformationsinplaneyz211应变位移关系梁的变形采用全拉格朗日描述方法,参考轴θ=θ04(d)122上任意点的位移可表示为[13]每个纤维只考虑轴向应力,则纤维上任意点A[13]{u0}=[N]{q}(1)的轴向应变根据应变位移方程可表示为:222式中{u0}=u0,v0,w0,θ0为参考轴上任意点的ε5u15u5v5wz=+++
8、=ε0+εL5z25z5z5z位移,[N]为梁纤维的形状函数,{q}为梁单元节(5)点的位移向量,则截面上任意纤维点A的位移如图式中ε0为线性应变,εL为非线性应变,并且2所示可以表示为5uu=u0-ysinθy+xsinθx2(a)ε0==〈B0〉〈q〉6(a)5zv=v0-y+ycosθycosθz+xcosθxsinθz2(
