建筑结构弹塑性分析技术的研究与应用

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2012年9月第9卷第3深圳土木与建筑V0L．9NO3．SEP2012建筑结构弹塑性分析技术的研究与应用尧国皇郭明赵群昌(深圳市市政设计研究院有限公司，深圳，518029)【摘要l基于合理的材料的本构关系模型，采用有限元软件AJ3AQUS对建筑结构构件和节点、高层建筑结构体系以及相关实际工程进行了弹塑性分析，本文介绍了典型的弹塑性分析与应用实例，期望文中有关方法可为同行提供参考。I关键词】弹塑性分析；构件；节点；结构体系；有限元分析1前言量)的函数。对于往复荷载作用，软件中提供了两近年来，随着越来越多的复杂建筑结构的出现，种随动强化模型：线性随动强化模型和非线性随动结构(构件)弹塑性分析也显得越来越重要，因其强化模型。本文在进行往复荷载作用下的建筑结构是对传统计算方法是一个很好的补充，原因在于：弹塑性分析时采用了线性随动强化模型。结构弹塑性分析能够提供其非线性反应的真实情2．2混凝土况，它在计算模型中直接引入混凝土和钢的材料本混凝土的本构关系，是指在外部作用下混凝土构关系，考虑或模拟混凝土和钢材界面的力学行为，内部应力与应变之间的物理关系。由于这种物理同时能够提供大量的结构反应信息，如应力、应变、关系在细观意义上描述了混凝土的基本力学性质，反力、位移、能量等，全方位的跟踪结构受荷后变因此，它构成了研究混凝土构件和结构在外部作用形、开裂、破坏全过程，因此对结构设计有重要的下变形及运动的基础。在有限元软件ABAQUS中，意义。通过对建筑结构进行弹塑性分析，准确预测为混凝土材料定义了一种材料模型：混凝土塑性损结构在罕遇地震作用下的弹塑性响应是实现性能伤模型。它可以模拟混凝土材料的拉裂和压碎等力化抗震设计的关键，利用弹塑性分析所得结果作为学现象，且使用也较为方便。ABAQUS中的塑性损大震作用下的结构抗震性能评价的依据。另外，弹伤模型在Lubliner等(1989)、Lee和Fenves塑性分析计算结果为超限复杂建筑结构抗震设计(1998)提出的模型的基础上建立的，它适用准脆提供指导，发现结构的薄弱环节，有针对性的改善性材料，混凝土和其它脆性材料，例如，岩石和陶抗震设计，因此进行建筑结构弹塑性分析技术的研瓷等。低围压下，混凝土的损坏是脆性断裂的劈裂究有着十分重要的工程意义。型，破坏机制主要是拉裂和压碎，只要围压高到足本文基于合理的材料本构关系模型，基于通用够防止裂纹扩散，混凝土的脆性便会消失，混凝土有限元软件ABAQUS对建筑结构构件和节点、高层的宏观响应也就类似于硬化的延性材料，其损坏是建筑结构体系以及实际工程进行了弹塑性分析，本在破坏面或屈服面上屈服和流动。该模型使用各文介绍了典型的弹塑性分析与应用实例，期望有关向同性损伤弹性结合各向同性拉伸和压缩塑性的方法可为同行提供参考。本文的目的不是具体描述模式来表示混凝土的非弹性行为，是一个基于塑性有限元的分析过程，而是介绍一些分析实例，期望的连续介质损伤模型。该模型可用于单向加载、循为有关设计和研究人员提供参考。环加载及动态加载等情况，具有较好的收敛性。2材料本构关系模型研究对于往复荷载作用下的混凝土弹塑性分析，需要确材料的本构关系模型是进行结构动力弹塑性定塑性损伤模型的损伤因子。文献[1]基于能量损分析的基础，以下介绍适用于ABAQUS软件进行建失的原理，确定了基于《混凝土结构设计规范》筑结构弹塑性分析计算时采用的钢材(钢筋)和混的受压和受拉损伤因子的计算方法。为了研究损伤凝土的本构关系模型。因子和混凝土应力的对应关系，将混凝土应力一应2．1钢材(钢筋)变关系曲线归一化，和损伤因子的变化曲线放在同建筑结构使用的钢材(钢筋)采用ABAQUS软一张图中，以C40混凝土为例，如图1所示，横坐件中提供等向弹塑性模型，满足VonMises屈服准标为混凝土的压应变，纵坐标为混凝土的压应力与则，这种模型多用于模拟金属材料的弹塑性性能。峰值的比值。因此，可以将混凝土微观反映与宏观该模型采用任意多个点来逼近实际的材料行为，因的塑性损伤因子结合起来，换句话说，通过在塑性此，就非常接近真实的材料行为。塑性数据将材料损伤模型中引入损伤因子，可以更方便的了解混凝的真实屈服应力定义为真实塑性应变(温度或场变土材料在受力过程的压应力和拉应力在受荷过程中的发展变化情况。尧国皇，高级工程师，深圳市市政设计研究院有限公司地址：深圳市福田区笋岗西路3007号市政设计大厦附楼218室20 2012年9月第9卷第3期深圳土木与建筑VOL．9NO3．SEP20121．21．211f-_——一0．8；’⋯⋯‘⋯⋯⋯。0．80．6·-{⋯·⋯＼⋯-一一·-··-J●-_I·-·-·-⋯--·--0．60．40．4／／i、l0．20．2、／；—i0000．00250．0050．00750．0l00．000250．00050．OOO，50．001压应变／e拉应变／e(a)受压损伤(b)受拉损伤图1塑性损伤因子和混凝土应力的对应关系ABAQUS自带的混凝土塑性损伤模型适用于实的混凝土用户材料模型。文献[1]基于ABAQUS的体单元和平面梁单元，但不能应用于采用B32空间Fortran程序接口，编制混凝土材料本构模型。图梁单元进行混凝土梁的模拟，考虑到弹塑性工程实2所示为混凝土材料子程序开发流程图。际分析时的计算成本，必须开发适用于梁单元模拟计算开始I／加卸载0断＼／＼＼卸载计算判断弹性加载还是塑性加载?II弹性加载塑性加载图2混凝土材料子程序开发流程图图3给出了采用ABAQUS实体单元和用户材ABAQUS计算获得往复荷载下受压损伤的发展历料子程序计算获得的轴向荷载一计算时间的关系曲程曲线的比较，从图3可见，受压损伤时程曲线基线，可见，计算结果吻合较好。图3也给出采用本重合，计算结果基本等效。30000Z20000l0000O00．O0I50．0030．00450．006(a)单调荷载下(b)往复荷载下图3混凝土用户材料子程序的验证3建筑结构构件与节点弹塑性分析技术在钢筋混凝土构件的有限元分析模型中有必以下主要介绍ABAQUS在钢筋混凝土构件及要考虑钢筋和混凝土之间的粘结滑移关系。采用一些新3型土构构妻的应用。ABAQus软件提供的弹簧单。建元模sp时ri将ng2筋／i~糙和lA}混dSc,J",凝车v冈f-1筒土]4i4节4·’钢筋混凝土构件(预应力钢筋混凝土混凝土之间的接触性能。