基于纤维模型的钢筋混凝土结构动力弹塑性分析

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1、第5卷第2期震灾防御技术Vol.5,No.22010年6月TechnologyforEarthquakeDisasterPreventionJun.,2010吕杨，徐龙河，李忠献，丁阳，2010.基于纤维模型的钢筋混凝土结构动力弹塑性分析.震灾防御技术，5（2）：257—262.基于纤维模型的钢筋混凝土结构1动力弹塑性分析1）2）1）1）吕杨徐龙河李忠献丁阳1）天津大学建筑工程学院，天津3000722）北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044摘要采用纤维单元模型和实体单元模型对一个钢筋混凝土柱进行

2、了动力弹塑性分析，结果表明，截面纤维模型能以很小的计算成本达到实体单元模型的计算精度，并且和试验结果拟合较好。同时，对一个3层钢筋混凝土框架结构进行的动力弹塑性分析表明，纤维单元模型能很好地解决各种非线性问题，适合于强震作用下结构整体动力弹塑性分析。关键词：动力弹塑性分析钢筋混凝土柱LS-DYNA纤维模型钢筋混凝土框架引言影响建筑结构灾变过程的控制参数很多，完全基于试验的研究方法因受到试验设备和试验经费的限制，目前大多以数值模拟辅以少量模型试验进行研究，显然快速精确的数值模拟方法是解决上述问题的关键。目

3、前，大型通用有限元软件建立结构分析模型的方法主要有实体单元模型和梁单元模型，实体单元模型因为建模复杂（Makoto等，2009）、计算成本过高，只能用于结构构件层次上的分析或小型建筑结构的整体分析，而梁单元模型又由于计算精度不高，一般只能用于结构整体模态分析或定性分析。有鉴于此，很多学者在通用有限元软件的基础上进行了二次开发，建立了用户自定义单元模型平台（林旭川等，2007；陆新征等，2007；方明霁等，2008；秦从律等，2005），但是由于平台开发难度大，还可能出现求解过程不够稳定，不能很好处理材料

4、负刚度等问题，目前还不能满足大多数人的需求。为了对比实体单元模型与纤维单元模型的计算精度和计算成本，本文用LS-DYNA有限元程序分别对一个钢筋混凝土柱建立了纤维单元模型和实体单元模型进行动力弹塑性分析。分析结果表明，LS-DYNA软件中的截面纤维模型能以很低的计算成本达到较高的求解精度。同时，对一个3层钢筋混凝土框架结构进行强震作用下弹塑性时程分1基金项目国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目（90815025；90715032）；国家自然科学基金青年科学基金项目（50808013）；天津市应用基础

5、与前沿技术研究计划重点项目（09JCZDJC25200）[收稿日期]2010-03-09[作者简介]吕杨，男，生于1984年。博士研究生。主要从事结构抗震研究。E-mail:lvyangtju@163.com258震灾防御技术5卷析，结果表明纤维单元模型能很好处理各种非线性问题，求解过程稳定，适合于强震作用下整体结构的灾变过程分析。1内力计算通过将截面离散成纤维，再分别给不同的纤维赋予相应材料的滞回性能，对各纤维应力数值积分计算截面内力（Schwer，2003），轴力为：（1）NAAd(i

6、iRA)(TS)(TTW)i(Fi)式中，RA为定义截面形式参数；TS和TT为截面尺寸；i为第i个积分点轴向应力；WTi为第i个积分点相对截面面积。弯矩为：MtisAd(sAiiRATSTT)()()isWFi(i)1（2）2()RATSTT()()iisWF()i2式中，si为相对坐标。同理：MstAdiiitA(RATSTT)()()iitWF(i)1（3）2()RATS()()TTiitWF()i2式中，ti为相对坐标。2钢筋混凝土柱动力弹塑性

7、分析2.1模型几何参数为验证截面纤维单元计算精度和成本，分别建立实体单元模型和纤维单元模型，并对Hideaki等（2004）文章中的正方形截面钢筋混凝土柱进行动力弹塑性时程分析。方形截面钢筋混凝土悬臂柱柱高2.5m，纵向配置48根直径10mm的钢筋，配筋率约为0.95%，箍筋为间距75mm、直径6mm的钢筋，材料参数同Hideaki等（2004）。柱顶配重约36t，柱底应力为1.0MPa，质心点高度为3.0m。地震动输入为双向Kobe地震波，加速度峰值N-S向为642gal，E-W向为666gal，时间

8、步按1/2缩放。2.2有限元模型纤维单元模型中将柱截面离散成100个混凝土网格和48个钢筋网格。沿轴向离散成25个纤维段和2个用于模拟柱顶附加质量的刚性梁单元。混凝土采用Kent等（LS-DYNA，2006）建议的材料本构模型。钢筋采用考虑塑性流动的弹塑性强化模型。实体单元模型中钢筋与混凝土分别建模。混凝土采用正六面体单元模拟，单元边长为30mm；钢筋采用空间梁单元，梁单元长度30mm；钢筋混凝土之间的粘结滑移采用一维滑动接触模型模拟（Sc