一种钢筋混凝土柱地震破坏高效模拟方法

1.本发明属于土木工程技术领域，尤其涉及一种钢筋混凝土柱地震破坏高效模拟方法。


背景技术：

2.在土木工程领域中，房屋建筑、桥梁、车站等工程结构中常常采用钢筋混凝土柱作为结构的主要竖向承力构件，同时钢筋混凝土柱也是结构中主要的抗侧力构件，在水平地震荷载作用下钢筋混凝土柱往往发生严重破坏，从而导致竖向承载力大大降低，结果引起结构倒塌破坏，因此如何准确预测模拟钢筋混凝土柱在地震荷载作用下的力学性能对工程界具有重要意义。利用计算机有限元仿真系统模拟分析钢筋混凝土柱的力学性能是行之有效的现有方法之一，目前广泛应用的钢筋混凝土柱的模拟模型有塑性铰模型、梁单元模型、精细化模型等，其中塑性铰模型和梁单元模型计算效率高，但计算精度较差，且很难模拟结构构件的破坏特征；精细化模型计算精度高，可模拟出结构构件从弹性到塑性，直至破坏失效全过程，但其计算成本过高，不适合工程应用计算。因此，如何建立计算精度高且计算效率可接受的水平地震作用下钢筋混凝土柱构件的破坏模拟方法，这将大大提高结构构件的地震破坏分析的准确性和可实施性，对工程结构的地震危险性分析具有显著意义。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种钢筋混凝土柱地震破坏高效模拟方法，该方法不仅可以准确地模拟钢筋混凝土柱构件在水平地震荷载作用下的破坏过程，并且计算成本低、效率高，易于工程实际应用。
4.为了达到上述目的，本发明提供的钢筋混凝土柱地震破坏高效模拟方法包括按顺序进行的下列步骤：
5.步骤一：根据钢筋混凝土柱的高度和配筋在内的参数，确定出钢筋混凝土柱底部区域精细化模型长度；
6.步骤二：在上述钢筋混凝土柱底部区域精细化模型长度以内的精细化模型区域，建立钢筋混凝土精细化模型；
7.步骤三：在上述钢筋混凝土柱底部区域精细化模型长度以外的非精细化模型区域，建立梁单元模型；
8.步骤四：对上述梁单元模型和钢筋混凝土精细化模型界面处的节点采用约束方程进行连接。
9.在步骤一中，所述钢筋混凝土柱底部区域精细化模型长度的计算公式为：
10.lr＝k(0.08l 0.022d
sfy
)
11.式中：k为塑性铰长度系数，取k＝1.5；l为钢筋混凝土柱的高度；ds为钢筋混凝土柱的纵筋直径；fy为纵筋屈服强度。
12.在步骤二中，所述建立钢筋混凝土精细化模型的方法是：采用包括ansys、abaqus
在内的大型通用有限元软件在钢筋混凝土柱底部区域精细化模型长度lr以内的精细化模型区域，建立钢筋混凝土精细化模型，其中混凝土采用八节点实体单元模拟，钢筋采用梁单元模拟，混凝土单元赋予混凝土损伤本构关系，钢筋单元赋予弹塑性本构关系。
13.在步骤三中，所述建立梁单元模型的方法是：在钢筋混凝土柱底部区域精细化模型长度lr以外的非精细化模型区域，采用梁单元建立梁单元模型，其中梁单元赋予弹性本构关系。
14.在步骤四中，所述梁单元模型和钢筋混凝土精细化模型界面处的节点应满足以下约束方程：
[0015][0016]
式中：x
ri
、y
ri
和z
ri
为在笛卡尔坐标系下界面处钢筋混凝土精细化模型单元节点i的位移值；xb、yb和zb为在笛卡尔坐标系下界面处梁单元节点的位移值；n为钢筋混凝土精细化模型界面处节点编号。
[0017]
本发明具有的优点和积极效果是：钢筋混凝土柱在水平地震荷载作用下底部发生破坏，在底部区域利用钢筋和混凝土分离式精细化模型的优势模拟钢筋混凝土柱的渐进破坏过程，计算精确高，其它部位采用梁单元模型模拟钢筋混凝土柱的宏观力学性能，计算成本低、效率高，因此本发明方法可以高效准确地模拟钢筋混凝土柱在水平地震荷载作用下的力学性能和破坏模式，为水平地震作用下钢筋混凝土柱的破坏分析提供一种新的模拟方法。
附图说明
[0018]
图1(a)为本发明采用的钢筋混凝土柱模型及加载示意图；图1(b)为图1(a)中1-1向剖视图。
[0019]
图2为采用本发明方法建立的钢筋混凝土柱模型；
[0020]
图3为采用本发明方法和传统精细化模拟方法模拟的钢筋混凝土柱的力-位移曲线。
具体实施方式
[0021]
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
[0022]
本发明提供的钢筋混凝土柱地震破坏高效模拟方法包括按顺序进行的下列步骤:
[0023]
步骤一：根据钢筋混凝土柱的高度和配筋在内的参数，确定出钢筋混凝土柱底部区域精细化模型长度；
[0024]
所述钢筋混凝土柱底部区域精细化模型长度的计算公式为：
[0025]
lr＝k(0.08l 0.022d
sfy
)
[0026]
式中：k为塑性铰长度系数，取k＝1.5；l为钢筋混凝土柱的高度；ds为钢筋混凝土柱的纵筋直径；fy为纵筋屈服强度。
[0027]
步骤二：在上述钢筋混凝土柱底部区域精细化模型长度以内的精细化模型区域，建立钢筋混凝土精细化模型；
[0028]
采用包括ansys、abaqus在内的大型通用有限元软件在钢筋混凝土柱底部区域精细化模型长度lr以内的精细化模型区域，建立钢筋混凝土精细化模型，其中混凝土采用八节点实体单元模拟，钢筋采用梁单元模拟，混凝土单元赋予混凝土损伤本构关系，钢筋单元赋予弹塑性本构关系。
[0029]
步骤三：在上述钢筋混凝土柱底部区域精细化模型长度以外的非精细化模型区域，建立梁单元模型；
[0030]
在钢筋混凝土柱底部区域精细化模型长度lr以外的非精细化模型区域，采用梁单元建立梁单元模型，其中梁单元赋予弹性本构关系。
[0031]
步骤四：对上述梁单元模型和钢筋混凝土精细化模型界面处的节点采用约束方程进行连接。
[0032]
所述梁单元模型和钢筋混凝土精细化模型界面处的节点应满足以下约束方程：
[0033][0034]
式中：x
ri
、y
ri
和z
ri
为在笛卡尔坐标系下界面处钢筋混凝土精细化模型单元节点i的位移值；xb、yb和zb为在笛卡尔坐标系下界面处梁单元节点的位移值；n为钢筋混凝土精细化模型界面处节点编号。
[0035]
本发明在钢筋混凝土柱的破坏区域预先设置钢筋混凝土精细化模型，其它区域设置梁单元模型，两种模型界面处的节点采用约束方程进行连接，以此达到计算精度高、计算成本低的目的。
[0036]
下面通过一个应用实例来说明本发明方法的优越性。
[0037]
请参阅图1，本实施例中，钢筋混混凝土柱的高度h为1440mm，截面尺寸为500
×
360mm，即长度l为500mm，宽度w为360mm，壁厚t为120mm，纵筋和箍筋直径分别为10mm和6m，箍筋间距为40mm。钢筋混混凝土柱顶部受到恒定竖向力作用，其轴压比为0.1，同时钢筋混
混凝土柱顶部受到水平往复荷载作用。
[0038]
请参阅图2，本实施例中，本发明采用anasys建立钢筋混凝土柱模型，钢筋混凝土柱底部采用精细化模型建模，其中混凝土采用实体单元通过损伤本构关系模拟，钢筋采用梁单元通过弹塑性本构关系模拟，根据计算得到钢筋混凝土柱底部精细化模型区域的长度lr＝302mm，钢筋混凝土柱上部采用梁单元建模并通过弹性本构关系模拟，在钢筋混凝土精细化模型和梁单元模型界面处的节点采用约束方程进行连接。
[0039]
请参阅图3，采用本发明方法和传统精细化模拟方法对钢筋混凝土柱进行模拟试验得到钢筋混凝土柱的力-位移曲线。传统精细化模拟方法为钢筋混凝土柱全部采用精细化模型进行建模分析。从图中可以看出两种模拟方法得到的钢筋混凝土柱的滞回曲线基本一致，说明采用本发明方法与传统精细化模拟方法的模拟精度基本一致；同时表1为采用本发明方法和传统精细化模拟方法对钢筋混凝土柱进行模拟试验的效率对比结果，从表中可以看出采用本发明方法与传统精细化模拟方法建立的模型单元数比为1:6.1，计算时间比为1:2.5，说明本发明方法计算成本较传统精细化模拟方法大大降低。
[0040]
综上所述，采用本发明方法可以准确地模拟钢筋混凝土柱构件在水平地震荷载作用下的破坏，并且计算成本低、效率高。
[0041]
表1钢筋混凝土柱模拟的效率对比
[0042][0043]
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。