【摘 要】針對施工過程中遇到的型鋼高強(qiáng)高性能混凝土結(jié)構(gòu)，采用開源結(jié)構(gòu)非線性分析軟件OpenSEES，基于Kent-Scott- Park混凝土本構(gòu)關(guān)系和Giuffre-Mengegotto -Pinto鋼材本構(gòu)關(guān)系，建立型鋼高強(qiáng)高性能混凝土柱的有限元模型，對試件的受力性能進(jìn)行非線性數(shù)值模擬。結(jié)果表明：該模型能較好的體現(xiàn)型鋼高強(qiáng)高性能混凝土柱受力性能。可為型鋼高強(qiáng)高性能混凝土的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

【關(guān)鍵詞】型鋼高強(qiáng)高性能混凝土；OpenSEES；非線性；數(shù)值模擬

1 引言

型鋼高強(qiáng)高性能混凝土 (Steel Reinfor ced High Strength and High Performance Concr ete) 結(jié)構(gòu)是新型混凝土高技術(shù)在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。作為鋼與混凝土相組合的新型結(jié)構(gòu)形式，其具有高強(qiáng)度、抗震性能好等特點(diǎn)。目前已廣泛應(yīng)用于大跨、大空間的工業(yè)廠房中。實(shí)踐證明型鋼高強(qiáng)高性能混凝土結(jié)構(gòu)能有效的提高結(jié)構(gòu)的受力性能，大幅度地減小構(gòu)件截面尺寸，從而減輕結(jié)構(gòu)重量，增加使用面積。本文將采用數(shù)值模擬的方法分析其受力性能，模擬結(jié)果表明其具有相當(dāng)好的非線性模擬精度。該有限元分析的結(jié)果可用于指導(dǎo)實(shí)際工程。

2 型鋼高強(qiáng)高性能混凝土柱的有限元模擬研究

2.1 OpenSEES程序簡介

OpenSEES全稱為Open Systems for Earthquake Engineering Simulation（地震工程模擬開放體系），該軟件是由加州大學(xué)伯克利分校所研究開發(fā)的。程序可進(jìn)行結(jié)構(gòu)工程及巖土工程領(lǐng)域的靜力彈性和非線性分析、pushover擬動力分析、模態(tài)分析、動力線彈性分析與非線性分析等。經(jīng)證明，在以上各個(gè)分析中均能具有較好的數(shù)值模擬精度。此外，OpenSEES具有便于改進(jìn)和協(xié)同開發(fā)，能保持國際同步等特點(diǎn)。目前，該程序日益引起各國土木工程領(lǐng)域研究人員的高度關(guān)注。

2.2 單元選擇

本文擬采用的分析單元為非線性梁柱單元模型(Nonlinear Beam-Column Eleme nt)，此單元模型是基于纖維模型法的非線性單元?？蓱?yīng)用于桿系結(jié)構(gòu)的非線性分析，并能充分考慮構(gòu)件的P-Delta效應(yīng)。其運(yùn)用高斯數(shù)值積分法來求解構(gòu)件柔度矩陣，故比目前多數(shù)程序采用的線性差值法計(jì)算結(jié)果更為精確。

2.3 材料本構(gòu)關(guān)系

構(gòu)件的荷載位移關(guān)系可以通過對截面纖維材料的單軸本構(gòu)模型積分求得。故材料的單軸本構(gòu)模型是影響數(shù)值模擬結(jié)果的重要因素。總體上講型鋼混凝土柱復(fù)合截面包括三種材料：混凝土、型鋼和縱向鋼筋。在建模前，需對各種材料采用適宜的混凝土、型鋼和縱向鋼筋的單軸本構(gòu)關(guān)系，同時(shí)還應(yīng)考慮箍筋對混凝土的約束作用。

2.3.1 混凝土本構(gòu)關(guān)系

混凝土本構(gòu)關(guān)系采用Kent-Scott-Park模型[1]，對應(yīng)于OpenSEES中的Concrete02 Material單軸材料。其骨架曲線有三部分組成：二次曲線上升段、下降直線段和水平直線段。對于約束混凝土，可采用以體積配箍率為約束指標(biāo)（配箍特征值）來修正其對應(yīng)力和應(yīng)變增大效應(yīng)。材料本構(gòu)的滯回規(guī)則詳見文獻(xiàn)[1]

2.3.2 鋼材本構(gòu)關(guān)系

關(guān)于鋼材的本構(gòu)材料模型，本文選擇Giuffre Mengegotto Pinto模型[2]，對應(yīng)于OpenSEES中單軸材料steel02 Material。其本構(gòu)關(guān)系骨架曲線為雙折線，可反映鋼筋的Bauschinger效應(yīng)[3]。并通過取強(qiáng)化段的硬化模量取為0.01Es來考慮鋼材強(qiáng)化效應(yīng)，Es為鋼材的彈性模量。材料本構(gòu)的滯回規(guī)則詳見文獻(xiàn)[2]。

2.4 試驗(yàn)簡介

實(shí)驗(yàn)試件截面參數(shù)設(shè)計(jì)如下：截面幾何尺寸(b×h)為150mm×210mm，高強(qiáng)高性能混凝土強(qiáng)度等級為C80，經(jīng)過28天標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度為75.49MPa，彈性模量為42042MPa；型鋼的屈服強(qiáng)度為319.7MPa，極限強(qiáng)度為491.5MPa，彈性模量2.07×105MPa；縱向鋼筋選用直徑為10mm的HRB335級鋼筋，屈服強(qiáng)度為386.3MPa，極限強(qiáng)度為495.7MPa，彈性模量2.06×105MPa。試件具體尺寸和截面配筋形式和其他試驗(yàn)參數(shù)詳見文獻(xiàn)[4]。

試驗(yàn)采用懸臂直立式加載方法，在加載過程中，豎向用液壓千斤頂施加軸力，試件的軸力為606.4kN。水平荷載加載時(shí)采用荷載和位移雙控制。試件a采用單調(diào)靜力加載制度，試件b采用低周反復(fù)加載制度，在每一級位移幅值下連續(xù)循環(huán)三次。構(gòu)件的破壞準(zhǔn)則：當(dāng)試件的恢復(fù)力下降到最大值的85%時(shí)即認(rèn)為試件完全破壞。

2.5 數(shù)值模擬結(jié)果分析

對比試驗(yàn)和OpenSEES非線性分析所得的荷載位移曲線，可以得到結(jié)論如下：(1)數(shù)值模擬所得荷載位移曲線的形狀、面積及加載后期的承載力的衰減都與試驗(yàn)所得曲線基本一致。表明此次模擬成功，并且該模型能較好的模擬型鋼高強(qiáng)高性能混凝土柱試件的耗能能力。(2)模擬所得的滯回環(huán)的形狀較試驗(yàn)略顯飽滿，在試件加載后期承載力的衰減也比試驗(yàn)曲線略為緩慢，及所采用模型高估了構(gòu)件的耗能能力。(3)數(shù)值模擬和試驗(yàn)值有一定的誤差，主要有以下原因：采用的建模方式是基于纖維模型的宏觀模型，在計(jì)算時(shí)忽略了型鋼和混凝土界面上的粘結(jié)滑移效應(yīng)；試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)型鋼和縱向鋼筋都會有屈曲現(xiàn)象，而這在鋼材的本構(gòu)關(guān)系上沒有達(dá)到體現(xiàn)；在建模時(shí)，僅是考慮了箍筋對混凝土的約束作用，模型中并沒有箍筋纖維。

另一方面，由于箍筋對核心混凝土的約束作用較為復(fù)雜，相關(guān)的數(shù)據(jù)資料也不夠充分，導(dǎo)致確定約束區(qū)域混凝土的本構(gòu)關(guān)系時(shí)很難與實(shí)際情況符合

3 結(jié)語

數(shù)值分析結(jié)果表明，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。對于型鋼高強(qiáng)高性能混凝土柱試件，由于型鋼的作用導(dǎo)致數(shù)值模擬滯回曲線均比試驗(yàn)曲線飽滿，能較好地反映出型鋼對混凝土柱強(qiáng)度與剛度的加強(qiáng)作用，表明應(yīng)用OpenSEES中的纖維模型和非線性梁柱單元能較好地模擬型鋼高強(qiáng)高性能混凝土柱試件在的非線性反應(yīng)。運(yùn)用該模型可以有效指導(dǎo)實(shí)際工程的設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究。

參考文獻(xiàn)

[1]Mander JB， Priestley MJN， Park R. Theoretical stress–strain model for confined concrete， Journal of Structural Engineering[J]. 1988; 114(8):4–26.

[2]MENEGOTTO M， PINTO P E. Method of analysis for cyclically loaded reinforced concrete plane frames including changes in geometry and non-elastic behavior of elements under combined normal force and bending[C]， 1973:15-22.

[3]FILIPPOU F C. Effects of bond deterioration on seismic response of reinforced concrete frame [D]. Berkeley， CA: University of California， 1983.

[4]王斌，鄭山鎖，國賢發(fā)等. 循環(huán)荷載作用下型鋼高強(qiáng)高性能混凝土框架柱受力性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，32(3):117-126.

作者簡介：

邢俊林，出生年月：1969.6，性別：男，籍貫：山西省定襄縣，現(xiàn)職稱：工程師，學(xué)歷：大學(xué)，研究方向：工程結(jié)構(gòu)與建筑施工