基于OpenSees的RC柱数值模拟与验证

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1、DOI：10．3969／j．issn．1672—4011．2014．06．029基于OpenSees的RC柱数值模拟与验证张松柏(中国建筑西南设计研究院有限公司，四川成都610042)摘要：利用OpenSees有限元分析软件对已有的钢筋混凝土柱低周往复试验进行数值模拟，选择不同轴压比和不同配箍特征值的钢筋混凝土柱，将数值模拟结果和试验结果进行对比分析，最终得到采用OpenSees有限元分析软件模拟钢筋混凝土柱时，材料模型和分析模型的适用性。为钢筋混凝土构4V-lt值模拟提供一定的参考依据。关键词：OpenSees；钢筋混凝土柱；低周反复；数值

2、模拟中图分类号：TU375．3文献标志码：B文章编号：1672—40ll(2014)06—0067—030前言现阶段国内建筑结构应用最多的是钢筋混凝土结构，所以对于这类结构在设计、修建和使用过程中的安全性、经济性和受力的合理性需要给予足够的重视。然而由于这种结构所使用材料的特殊性，使得它的力学行为相对复杂。设计阶段就将这种材料的力学行为分析清楚相对困难。目前对这种材料的非线性分析还存在很多问题，特别是在较大荷载作用下(比如地震作用)，它的非线性行为严重影响结构的性能。因此，需要对其非线性行为进行研究，用于预测构件在地震作用下的性能，从而确定结

3、构的性能。这种研究不能完全利用试验去进行，一方面造价太高，人力有限，另一方面试验中总有人为因素，不能完全真实反映受力状况和变形情况。所以需要一种能较为准确的方法去模拟构件在试验下的性能。现有能进行钢筋混凝土构件数值模拟的有限元软件很多，如ABAQUS、ANASYS、OpenSees等，在模拟过程中都需要解决一些较为常见的问题：①计算精度与计算量相互制约，为了提高计算精度，往往需要将结构或构件划分为足够小的单元，单元划分得越小，单元越多，计算工作量自然也越大；②很多软件在模拟的时候只能针对二维结构或构件，对于三维结构或构件只能简化为平面的；③软

4、件计算方法的收敛性问题较多，有些较为复杂的结构或构件很难计算收敛；④软件采用的材料本构较少，分析很局限。本文选择的有限元分析软件OmnSees在这些问题上都有不同程度的突破，较好的平衡了这些局限性。本文主要是应用Ope．Sees有限元分析软件，对已有的钢筋混凝土柱试验进行数值模拟，包括在不同轴压比、不同配箍特征值、不同加载路径下的钢筋混凝土柱的力学性能。并根据分析结果给出OpenSees分析软件的分析适用性建议。作者简介：张松柏(1989一)，男，四川平昌人，硕士研究生，国家二级注册结构工程师，主要从事建筑结构设计工作。1OpenSees有限

5、元软件介绍1．1程序概述OpenSees是以加州大学伯克利分校为主研发而成的，用于结构和岩土方面地震反应模拟的一个较为全面且不断发展的开放式模拟平台¨-21。OpenSees主要用于结构和岩土方面的地震反应模拟。目前，该程序较好地模拟了包括钢筋混凝土结构、桥梁、岩土工程在内众多的实际工程和振动台试验项目口。5。，证明其具有较好的非线性数值模拟精度。1．2械精苯桶材料本构模型的准确程度很大程度上影响了结构分析的结果。前文已经提到OpenSees具有丰富的材料库，它提供了单轴受力材料和多轴受力材料两个大类供用户选择使用。本文选用Kent—Park

6、模型作为混凝土的本构模型，在OpenSees中对应Concrete01Material单轴混凝土材料模型。选用Steel02Material单轴钢筋材料模型。混凝土采用Kent—Park模型，具体的受压骨架曲线分三个阶段加以描述：一州志一(志)2】(瞵o．002K)(1)盯。；眄e[1一z。(占。一0．002K)]≥0．2碰(占。>0．002K)(2)式中，Z。=⋯+等Q：主面3+_O．2丽9f。+押34√要-o．002K1457：一1000’，V％(3)(4)式中，K值为考虑箍筋约束效应所引起的混凝土强度提高系数；o．002K为峰值强度对应

7、的峰值应变；厶为箍筋的屈服强度，MPa；z。为应变软化阶段的斜率∥为混凝土圆柱体的抗压强度，MPa；p，为体积配箍率；^’为截面核心混凝土宽度，计算时从箍筋外边缘算起；s。为箍筋的间距。考虑到混凝土保护层的压碎和剥落现象，一般可认为一旦受压应变超过占。(取为0．004)，保护层的混凝土强度将会减少到0．骐。对于混凝土在受箍筋和拉筋共同约束的情况时，Scott建议可偏保守的将混凝土极限压应变占。按式(5)加以确定：吼=0．004+0．9p，魄／300)(5)1．3纤维模型纤维模型是把构件沿长度方向分成多个微段，每个微段都进行截面积分；在构件的正

8、截面上把截面划分为多个微小的平面网格，每一个网格的中心为一个数值积分点，网格的纵向微段就是截面纤维。对于钢筋混凝土结构，混凝土梁柱截面可以按照材料划分为}昆凝土纤维