基于宏观单元的钢筋混凝土构件非线性分析模型.pdfVIP

第十届全闲现代结构工程学术研讨会 基于宏观单元的钢筋混凝土构件非线性分析模型 汤杰瑶 (华南理工大学土木与交通学院广东广州510640) 提要：为了确保结构抗震的安全性，需要进行结构非线性性能的评价。而结构非线性分析模型主要分为微观模型和宏观模 型。本文讨论了目前常用的基于宏观单元的钢筋混凝土构件非线性分析模型，并通过对各模型优缺点的比较，指出 了它们的适用性及局限性。对比分析表明，多垂直杆元模型和桁架模型能在宏观上更好地反映钢筋混凝土构件的非 线性性能，是目前较为理想的宏观单元模型。 关键词：宏观单元，钢筋混凝土构件，非线性分析模型 一、引言 为了确保结构抗震的安全性，需要进行结构非线性性能的评价。然而，因为强度退化、刚度退化和捏 缩等问题，钢筋混凝土构件的非线性循环性能变得更加复杂。近年来，随着材料、构件特性的深入研究以 及计算机技术的不断发展，结构的非线性分析已得到很大的发展。目前，结构非线性分析模型主要分为微 观模型和宏观模型。 微观模型是利用实体单元对杆件和板壳结构进行离散和选取插值函数，并根据材料的本构关系直接建立 单元的计算模型。该模型力学概念清晰，求解精度较高。但是，微观模型往往具有庞大的自由度，需要进行 大量的数值计算，因此在实际结构的非线性分析和设计中应用很少。目前仅局限于结构部件或局部的分析。 宏观模型以结构的各个构件(如梁、柱、墙)为基本单元，通过处理将其简化为一个非线性分析单元， 并在有限位置模拟其塑性发展以及整个结构的非线性反应。该模型自由度少，计算相对简便，力学概念直 观，在宏观上能较好地反映结构构件的非线性性能，具有一定的适用性。常用的梁宏观单元有梁．较单元模 型、分离弯剪作用模型等；常用的柱宏观单元有单弹簧模型、多弹簧模型、纤维模型等；常用的剪力墙模 模型、多垂直弹簧模型(MVLEM)、二维板单元模型、空间薄瞳杆件模型、三维壳元模型等。但宏观模型 建立在实验研究和一些理论假设的基础上，存在一定局限性。只有满足模型中的假定条件，分析结果才是 可靠有效的。本文介绍了几种常用的宏观模型，并通过对各模型优缺点的比较。阐明其适用性及局限性。 3 二、等效梁模型n 该模型采用梁单元沿墙质心轴线离散剪力墙，并刚接于框架梁。最常用的梁单元模型是单分量模型， 它由一个两端带有等效非线性旋转弹簧的线弹性单元组成(图1)。该模型的全部非弹性变形集中到两端的 塑性铰上，由两端的非线性旋转弹簧表示，中间部分为弹性。模型中每个弹簧的非弹性弯矩一转动关系由 事先假定反弯点的位置来确定，因此非弹性端的转动只依赖于端部的弯矩，并且弹簧可以采取任何弯矩一 转动滞刚模型。然而，这也是模型的缺点，它忽略了沿着梁实际的弯矩分布和非弹性的传播。 非线性弯曲弹簧 ／ ／非线性剪切弹簧 ■，■ ■r11 弯曲弹簧 图l等效梁模型 工业建筑2010增刊 1427 第十届全国现代结构工程学术研讨会 为了证明反弯点位置的变化，Otani对模型引进了一些修改。为了证明在联肢墙系统中的非弹性剪切变 形效应，Takayanagi等人在代表剪力墙单元的每一根线单元的端部引进了额外的塑性铰。但无论采用任何 等效梁模型来模拟钢筋混凝土剪力墙，均存在一个主要的局限，即假定墙的转动围绕着墙横截面的中性轴， 忽略了反应中剪力墙轴力的变化。而事实上，随着墙体非线性反应的产生，其中和轴向受压区移动，形心 轴和中性轴不再重合。因此，等效梁模型在弹性分析中使用得较多，而在考虑剪力墙的非线性反应，包括 塑性、开裂等行为时，受到很大限制。 三、杆元模型 Milev对TVLEM进行了改进，用二维非线性板单元代替中间墙板部分的垂直、水平和转动弹簧，形成二 片墙体的动力试验结果，提出了四弹簧模型，如图2(d)所示。为了解决TVLEM