基于纤维单元的钢筋混凝土桥墩地震损伤评价

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1、第２８卷第５期计算力学学报Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．５２０１１年１０月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＭｅｃｈａｎｉｃｓＯｃｔｏｂｅｒ２０１１文章编号：１００７－４７０８（２０１１）０５－０７３７－０６基于纤维单元的钢筋混凝土桥墩地震损伤评价艾庆华１，王东升＊２，向敏１（１．石家庄铁道大学桥梁工程教研室，石家庄０５００４３；２．大连海事大学道路与桥梁研究所，大连１１６０２６）摘要：基于纤维模型的梁柱单元特别是柔度法单元有着较高的计算精度，已被较多地用于评价钢筋混凝土桥墩的位移（延性）能力。随着基于性能／位移抗震设计理论的发展，相继提出了残余位移、极限曲率及曲率延性系数、纵筋

2、和混凝土的最大应变、纵筋低周疲劳损伤等桥墩地震损伤量化指标。选用刚度法和柔度法纤维单元，考虑材料非线性、几何非线性和结点锚固钢筋粘结滑移的影响，通过数值分析和试验数据对比研究了利用纤维单元对上述损伤指标进行估计的准确程度及主要影响因素。结果表明，柔度法单元计算的损伤参数均大于刚度法；两种纤维单元计算的滞回曲线及残余位移和试验结果十分接近，刚度法单元计算的截面曲率和纵筋拉应变更接近试验值，当加载位移幅值或剪跨比较大时，两种单元有时会低估桥墩的截面曲率反应；两种单元都会高估桥墩纵筋的最大拉应变，低估核芯混凝土的最大压应变。关键词：钢筋混凝土桥墩；基于性能抗震设计；纤维单元；损伤指标；低周反复加载试

3、验中图分类号：Ｐ３１５．９；Ｕ４４２．５文献标志码：Ａ随着桥梁基于性能／位移抗震设计理论的发１引言展，对钢筋混凝土桥墩地震损伤量化参量提出了更基于纤维模型和有限元梁柱理论的纤维单元高的要求，除传统的位移延性和曲率延性外，相继可以准确地考虑轴力和（单向和双向）弯曲的耦合提出了残余位移、纵筋和混凝土最大应变、损伤指作用，在土木工程结构分析中得到较广泛应用。纤数（纵筋低周疲劳）等指标。如利用纤维单元对这维单元又可分为刚度法单元和柔度法单元，刚度法些损伤指标进行估计，其准确程度如何尚未见到相单元是基于三次埃米特多项式位移插值函数的受关研究。本文编写了分别基于刚度法和柔度法纤弯构件有限元杆系模型，计算效

4、率和精度在很大程维单元的计算程序ＤＬＵＴ－ＲＣ，采用能够较为精确度上依赖于位移形函数的准确性。由于三次埃米反应钢筋和混凝土力学性能的Ｃｈａｎｇ－Ｍａｎｄｅｒ本特位移插值函数描述的位移场在强非线性阶段严构关系模型。通过数值分析和试验数据对比，研究重偏离结构的真实位移场，而细分网格又会带来巨了利用纤维单元进行钢筋混凝土桥墩地震损伤评大的计算量和数值上的不稳定，故刚度法单元分析价的可行性及主要影响因素，目的是为纤维单元在［１，２］精度受到一定的影响。鉴于刚度法单元在强钢筋混凝土桥墩基于性能抗震设计中的应用提供非线性阶段分析精度的不足，一些学者提出了基于更完备基础，同时促进桥梁抗震设计规范发展。力的形

5、函数的纤维单元（柔度法单元），Ｓｐａｃｏｎｅ通２计算的损伤指标和选取的桥墩试件过一个较为稳定的类似牛顿－拉斐逊迭代的算法解决了给定单元结点力下如何求解单元结点位移的２．１损伤指标［３，４］材料非线性问题。陈滔等解决了柔度法纤维选用残余位移、极限曲率及曲率延性系数、混［５］单元的几何非线性问题。凝土和纵筋应变、纵筋低周疲劳损伤指数等作为损伤指标。收稿日期：２０１０－０６－０７；修改稿收到日期：２０１０－１０－０４．基金项目：国家自然科学基金（５０８７８０３３，５０９７８０４２）；河北省２．２选取的桥墩试件自然科学基金青年基金（Ｅ２０１０００１０６６）资助项目．主要以Ｌｅｈｍａｎ等［６］完成的５根

6、钢筋混凝土作者简介：艾庆华（１９７７－），男，博士，讲师；王东升＊（１９７４－），男，博士，教授桥墩低周反复加载试验结果作为比较依据。桥墩（Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｄｓｚｘｂ＠ｄｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ）；试件底部为较大尺寸钢筋混凝土承台，纵筋伸入承向敏（１９６８－），男，硕士，副教授．７３８计算力学学报第２８卷表１桥墩试件参数Ｔａｂ．１Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｂｒｉｄｇｅｃｏｌｕｍｎｓ构件编号直径／ｍｍ墩高／ｍｍ剪跨比配筋率（％）配箍率（％）轴压比最终破坏状态ＬＡ４０７６０９．６２４３８．４４０．７５０．７００．０７纵筋断裂ＬＡ４１５６０９．６２４３８．４４１．４９０．７００．０７纵筋断裂ＬＡ４３０６０

7、９．６２４３８．４４２．９８０．７００．０７箍筋断裂ＬＡ８１５６０９．６４８７６．８８１．４９０．７００．０７纵筋断裂ＬＡ１０１５６０９．６６０９６１０１．４９０．７００．０７纵筋断裂台，承台固定在实验台座上。该试验采用外部装置结滑移会造成桥墩顶部的附加位移反应，可由详细量测了塑性铰区的变形特征，涉及曲率分布、式（１）计算得混凝土和纵筋应变及变形组成成分（弯曲、剪切、粘Δｓｌｉｐ＝θｓｌｉｐＬ（１