基于opensees的高强钢筋混凝土柱抗震性能数值模拟

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1、基于OpenSees的高强钢筋混凝土柱抗震性能数值模拟摘要：基于OpenSees平台，采用梁柱纤维单元建立了钢筋混凝土单柱的纤维模型，对循环荷载下的配置HRB500纵筋和箍筋的混凝土单柱非线性滞回反应进行了数值模拟。通过对模拟结果和试验结果的对比分析，验证了OpenSees平台对于配置高强钢筋混凝土柱的抗震性能模拟的可行性和精确性。关键词：OpenSees;高强钢筋混凝土柱；纤维模型；数值模拟；抗震性能0引言我国目前的用钢水平远低于国际先进水平，根据混凝土结构的发展趋势，推广应用高强钢筋将促进我国结构用钢水平的提高，在建筑

2、结构中推广应用HRB500钢筋，具有巨大的经济效益和社会效益。2010年《混凝土结构设计规范》正式将HRB500级钢筋纳入主力钢筋并用于混凝土梁、柱和剪力墙的设计。目前，高强钢筋用于混凝土柱的试验和理论研究比较缺乏，在500Mpa级纵筋抗压强度、高强约束箍筋抗拉强度和高强钢筋对柱的位移延性的影响等问题上存在争议，有必要进行进一步的试验研究和理论分析，为高强钢筋的推广和应用提供科研依据。笔者基于OpenSees开放程序平台采用基于有限单元刚度理论的DBBC纤维单元建立了钢筋混凝土单柱的纤维模型，采用与试验相同的加载方式，模拟

3、了同济大学所做的4根配置HRB500纵筋和箍筋的混凝土柱的低周反复加载试验，并对柱的滞回曲线和骨架曲线进行了对比分析，验证了此种模型的正确性和可靠性。1钢筋混凝土柱纤维模型纤维模型将杆件截面划分为多个纤维，每个纤维均为单轴受力，不同的纤维可以赋予不同的材料本构。纤维模型假定构件截面在变形中始终保持为平面，因此只要知道构件截面的弯曲和轴向应变就可以得到截面每一根纤维的应变，从而得到截面的刚度。本文选用DBBC（Displacement—BasedBeamColumn）单元，该单元是一种分布塑性单元，该单元允许刚度沿杆长变化，

4、首先通过结点位移得到相应的单元杆端位移，然后根据位移插值型函数求得截面的变形，再根据截面的恢复力关系得到相应截面抗力与截面切线刚度矩阵，最后按照Gauss—Legendre积分方法沿杆长积分计算出整个单元的抗力与切线刚度矩阵。其中仅考虑材料非线性的Displacement—BasedBeam—Column单元刚度矩阵可以表示为：式中，为单元位移插值型函数，为截面切线刚度矩阵。2材料本构关系2.1混凝土材料本构模型混凝土模型的应力-应变滞回关系曲线，如图1所示。混凝土模型没有考虑混凝土受拉力学性能，即受拉区混凝土的应力和刚度

5、为零。图1受压骨架曲线示意图受压骨架曲线采用的是Kent和Park[1]提出、经Scott[2]修正的Kent-Park模型，骨架线分为三段：时，时，时，其中：各个参数代表的含义如下：为混凝土峰值应力对应的应变，为考虑约束引起的强度和峰值应变增大系数，是应变下降段的斜率，为混凝土圆柱体抗压强度，是核芯区箍筋的屈服强度，是横向约束箍筋的体积配箍率，是混凝土核芯区的宽度，是箍筋间距。对于混凝土受箍筋约束的情况，Scott等建议混凝土极限压应变可偏保守地按下式确定：2.2钢筋材料本构模型钢筋纤维采用Giuffre一Menegot

6、to—Pinto[4]钢筋本构关系，其应力一应变关系如图2所示。图2钢筋应变单轴加载曲线示意图钢筋骨架曲线为双折线型，该模型由于采用了应变显函数表达形式，因而计算方便，并且保持了与钢筋反复加载试验结果较好的一致性，可以反映筋的Bauschinger[5]效应。模型在数学上可以表示为其中：与分别为钢筋屈服点处的应力与应变；与分别为钢筋反向点处的应力与应变；为钢筋的硬化刚度与原点切线模量的比值；R为反映Bauschinger效应的参数；R0，与均为材料常数；为上一循环塑性应变的绝对值。3单柱模拟算例模拟了同济大学2009年所做

7、的4根配置500Mpa高强钢筋的混凝土柱的低周反复荷载试验，试件参数和尺寸如表1和图3所示。表1试件参数试件编号(Mpa)试件配筋轴压力(kN)(Mpa)(Mpa)(%)纵向钢筋箍筋Z5F-142.24DF16DF8@100115.90.11527.3568.41.510.193.16Z5F-242.24DF16DF8@60231.90.22527.3568.42.520.313.16Z5F-355.24DF16DF8@60188.70.14527.3568.42.520.243.16Z5F-455.24DF16DF8@1

8、00377.40.28527.3568.41.510.143.16注：DF表示HRB500级钢筋，B表示HRB335级钢筋；为混凝土立方体抗压强度实测值；为箍筋屈服强度实测值；为加密区配箍特征值；为加密区体积配箍率；为纵筋实测屈服强度；为试验轴压比；为剪跨比。图3试件尺寸详图4模拟结果分析模拟得到的滞回