基于滞回曲线的钢筋混凝土结构抗震损伤分析

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1、http://www.paper.edu.cn基于滞回曲线的钢筋混凝土结构抗震损伤分析邱晓文，杨剑辉武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉（430070）E-mail：xiaowen_qiu@163.com摘要：建立了钢筋混凝土框架结构非线性有限元分析模型，在循环反复荷载作用下，通过对有损伤结构及无损伤结构的滞回曲线进行对比，得出了有损伤结构的曲线会出现一个比较明显的突变，从而为抗震损伤分析提供了一个简单易行的结构损伤检测方法。关键词:钢筋混凝土；框架；非线性有限元；滞回曲线；损伤检测中图分类号：TU1．引言钢筋混凝土框架结构是我国工业与民用建筑常用的

2、结构形式，适合大规模工业化施工，效率较高，工程质量较好，能为建筑提供灵活的使用空间。但是，框架结构的承载力和刚度都较低，抗震性能较差，因此，在遭遇地震时有可能引起破坏或者局部损伤。当结构破坏时，是容易观测到的，但是如果只是有局部损伤，就比较难于检查出来了。滞回曲线是结构或构件在循环反复荷载作用下的力-变形曲线，是一种恢复力曲线，它表征着恢复力与变形的关系。循环反复加载主要用来研究钢筋混凝土材料与结构承受地震作[1]用的抗震性能。一般认为滞回曲线是用来研究结构或构件的非线性变形性能，比如破坏机制、耗能能力等问题，但是也可以用来研究结构或构件损伤问题。W

3、.D.Iwan认为，如果滞[2]回曲线中出现了突变(bulge)，那么结构中就存在损伤，这也可以从结构刚度的降低得到很好的解释。目前对于结构损伤的研究主要集中于频谱、电信号的分析检测，本文从结构最简单的物理特性(力和变形)入手，利用滞回曲线来分析结构的损伤。本文采用有限元分析软件ANSYS，建立钢筋混凝土框架结构的非线性有限元分析模型，研究了有损伤情况对结构滞回曲线的影响。2．非线型有限元模型的建立2.1钢筋材料模型对于钢筋，只需要定义弹性模量和屈服强度即可确定其线弹性的本构关系。钢筋的弹[3]52性模量根据《混凝土结构设计规范》，主筋为HRB400

4、级钢筋，弹性模量为2.0×10N/mm；52箍筋为HPB235级钢筋，弹性模量为2.1×10N/mm。钢筋采用经典双线性随动强化(BKIN)模型，当钢筋在反复荷载作用下进入塑性时，就遵守VonMises屈服准则，这样就较为真实[4]地反映钢筋的屈服曲面变化和包辛格效应(Bauschingereffect)。2.2混凝土材料模型[3]混凝土材料采用C30，弹性模量为3.0×104N/mm2，泊松比0.2。混凝土模型采用ANSYS默认的混凝土(CONCR)模型和多线性等向强化(MISO)模型的混合强化模型，前者主要是利用其裂缝张开、裂缝闭合剪力传递系数及

5、一些混凝土的默认参数，后者主要是定义混[3]凝土的应力应变关系。按我国现行的《混凝土结构设计规范》，混凝土的应力应变关系的数学表达式为：-1-http://www.paper.edu.cnεnσ=fc[1−(1−)](1)ε01n=2−(fcu,k−50)≤2.0（2）60式中，fc为混凝土轴心抗压强度设计值,ε0＝0.002,fcu,k为混凝土立方体抗压强度标准值。ANSYS里面专门建立了面向混凝土的三维八节点等参单元――Solid65单元，该单元适用于含筋或不含筋的三维实体模型，可用单元的实体性能来模拟混凝土，而用加筋性能来模拟钢筋的作用。Sol

6、id65单元的破坏、开裂准则采用的是Willam-Warnker的五参数模型，[4]其数学表达式为：F−S≥0(3)fc式中，F是与主应力有关的函数，fc单轴极限抗压强度，S是破坏曲面函数。[5]本文采用的是整体式有限元模型，即不考虑钢筋的滑移，将钢筋分布于整个单元中，并把单元视为连续均匀材料，在ANSYS中即是用Solid65单元提供的实参数来建立钢筋模型。有限元模型如图1所示。6040200位移0510152025-20-40-60周数图1钢筋混凝土框架有限元模型图2等幅等位移加载3有限元模型的加载3.1加载制度[6]循环反复荷载的加载制度有几种

7、方案：(1)变位移加载；(2)变力加载；(3)变力-变位移加载。变位移加载，即在加载过程中以位移作为控制值，这是目前使用最多的一种加载制度。本文研究的目的是检测出结构损伤与否，所以采用较简单的等幅等位移加载制度，如图2所示，这样可以容易得到滞回曲线的突变。3.2加载方法[7]与试验不同的是，利用软件进行模拟加载，非线性分析的计算有可能不收敛。除了模型及单元网格划分不妥造成应力集中的原因外，一个很重要的方面就是加载时间不合理。非-2-http://www.paper.edu.cn[8]线性分析需要更多的计算时间。这就是说，在模拟加载中，需要缓慢加载，即

8、增大加载时间或者增加加载子步。同时，在利用ANSYS软件进行加载，需要激活大应变效应(NLGEOM,ON)和