纤维模型分析桥梁动力弹塑性

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1、使用纤维模型做桥梁的动力弹塑性分析北京迈达斯技术有限公司2004.12目录1.概要2.纤维单元的特性3.桥梁资料4.建立结构模型5.定义纤维单元6.结构的非线性特性7.定义时程分析数据8.运行结构分析9.定义分析结果函数10.查看分析结果使用纤维单元做预应力桥梁的动力弹塑性分析1.概要纤维单元是将梁单元截面分割为许多只有轴向变形的纤维的模型，使用纤维模型时可利用纤维材料的应力-应变关系和截面应变的分布形状假定较为准确地截面的弯矩-曲率关系，特别是可以考虑轴力引起的中和轴的变化。但是因为使用了几种理想化的骨架曲线(skeletoncurve)计算反复荷载作用

2、下梁的响应，所以与实际构件的真实响应还是有些误差。MIDAS/Civil中的纤维模型使用了下面的几个假定。¾截面的变形维持平截面并与构件轴线垂直。¾不考虑钢筋与混凝土之间的滑移(bond-slip)。¾梁单元截面形心的连线为直线通过下面例题，介绍使用纤维单元做动力弹塑性分析的步骤。因为本例题说明侧重于利用纤维单元做动力弹塑性分析的介绍，所以省略了前期建模的过程，并认为用户已经熟练掌握了MIDAS/Civil的建模方法。本例题模型为三维预应力梁桥的实际桥梁模型(2002年11月建，韩国)，但为了说明上的便利，进行了一些简化处理，最后的结果有可能与实际设计稍有

3、差异。MIDAS/Civil中使用纤维单元做动力弹塑性分析的步骤如下:1.定义纤维模型的材料特性2.定义纤维模型的截面特性3.定义并分配构件的非弹性铰特性4.输入动力弹塑性时程分析数据5.运行分析6.定义分析结果函数7.检查并验算分析结果1使用纤维单元做预应力桥梁的动力弹塑性分析2.纤维单元的特性纤维模型在纤维模型中，每个纤维的轴向变形对应于截面的轴向变形和弯曲变形，由纤维的应变确定纤维的应力状态，由纤维的应力计算截面的轴力和弯矩。纤维的应变和截面变形的关系可用下式表达。在此，x:截面的位置φy(x):梁单元轴向x处，对截面单元坐标轴y轴的曲率。φz(x)

4、:梁单元轴向x处，对截面单元坐标轴z轴的曲率。εx(x):梁单元轴向x处截面的轴向应变。yi:截面上第i个纤维的位置zi:截面上第i个纤维的位置εI:第i个纤维的应变。ECSz-axisyECSz-axisii-thfiberECSy-axisECSx-axisziECSy-axisx图1.纤维模型的截面分割纤维模型中截面的材料非线性特性是通过定义纤维的应力-应变关系曲线表现的。在MIDAS/Civil中提供了钢纤维和混凝土纤维的材料模型，下面分别介绍各材料的本构模型(constitutivemodel)。2使用纤维单元做预应力桥梁的动力弹塑性分析(1)钢

5、纤维的本构模型(Steelfiberconstitutivemodel)钢纤维的本构模型一般为双折线型的随动硬化(kinematichardening)曲线。各加载路径和应变-硬化区间的渐进线之间的转移区段呈曲线状态。两条渐进线的交点与加载方向上最大应变点的距离越远，转移区段的曲线越平缓。该种本构关系可用下列公式确定。在此,ε:钢纤维的应变σ:钢纤维的应力(εr,σr):卸载点，在初始弹性状态时假设为(0,0)。(ε0,σ0):定义当前加载或卸载路径的两个渐进线的交点。b:刚度折减率R0,a1,a2:常量ξ:荷载加载或卸载方向上的最大应变与ε0的差值(绝对

6、值)在此，最大应变的初始值设定与±(Fy/E)相同。σξ2(εr,σr)1F(ε0,σ0)2yb·EEε(εr,σr)2(ε0,σ0)1ξ1图2.钢纤维的本构模型3使用纤维单元做预应力桥梁的动力弹塑性分析(2)混凝土的本构模型(Concretefiberconstitutivemodel)本例题中使用的混凝土纤维的本构模型为Kent和Park(1973)提出的对受压混凝土的包络曲线(envelopecurve)的公式，忽略了混凝土的抗拉强度，对压力的包络曲线公式如下。该公式可以考虑横向约束对抗压强度的增大效果。在此，ε:混凝土纤维的应变σc:混凝土纤维的应

7、力ε0:最大应力对应的应变εu:极限应变K:横向约束引起的刚度增大率Z:应变软化(strainsoftening)的坡度fc’:混凝土棱柱体抗压强度(MPa)compressivestressK·f’cZ·K·f’c0.2K·f’ccompressiveε0εpεrεustrain图3.混凝土纤维本构关系4使用纤维单元做预应力桥梁的动力弹塑性分析3.桥梁资料本例题的桥梁资料如下:计算跨径:30m+30m+30m=90m桥宽:11.70m桥台形式:倒T型桥墩形式:T型桥梁等级:抗震1级(韩国)设计车道数:3车道22使用材料:混凝土(240kgf/cm),钢材

8、(3000kgf/cm)4.建立结构模型设定单位体系首先新建立一个