CN113076586A - 应用性能前馈集中塑性铰单元的抗震分析方法 - Google Patents

应用性能前馈集中塑性铰单元的抗震分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了应用性能前馈集中塑性铰单元的抗震分析方法，通过计算构件剪跨比和弯剪比确定构件变形指数限值，并通过构件变形指数限值推算关键骨架曲线点，最终建立PFLPH单元的本构骨架曲线图。本发明可以良好地模拟构件的强度退化效应、良好地反应剪跨对构件力学性能的影响、良好地反应配箍对构件力学性能的影响和良好地反应材料类型对构件滞回特性的影响。

Description

应用性能前馈集中塑性铰单元的抗震分析方法
技术领域
本发明涉及结构抗震领域和数值模拟的技术领域，尤其涉及应用性能前馈集中塑性铰单元的抗震分析方法。
背景技术
选择单元本构模型是数值建模中必不可少的关键步骤，单元本构模型的好坏直接影响到数值分析的精确度。目前国内外主流的单元本构模型包括纤维单元和集中塑性铰单元。
纤维单元可以分为刚度法纤维单元和柔度法纤维单元，刚度法纤维单元简称为位移元，柔度法纤维单元简称为应力元。位移元纤维单元利用线性拉格朗日插值公式构造轴向位移场，利用3次哈梅特插值公式构造切向位移场。然而，二者都具有一定局限性。应力元纤维单元假定轴力和剪力在单元内部为常值，利用线性插值公式来求取截面弯矩。然而，无论是位移元纤维单元还是应力元纤维单元，他们都无法模拟梁构件的强度退化机制，这使得使用纤维单元的数值模型的力学性能无法得到正确地评估。
集中塑性铰单元是数值模拟梁、柱等杆系构件时常用地一种单元模型。常用地集中塑性铰单元包括弯矩型-塑性铰单元和弯矩-轴力相关型塑性铰单元。前者一般用来模拟构件截面轴力可以忽略的情况，后者一般用来模拟构件截面弯矩和轴力相互作用的情况。除此之外，根据变形指标的不同，上述每种集中塑性铰单元又可以进一步分为转角型塑性铰单元和曲率型塑性铰单元。前者用转角作为塑性铰变形的度量，后者用曲率作为塑性铰变形的度量。然而，在进行数值建模时，常规的集中塑性铰单元无法反映剪跨比和配箍率对构件力学性能的影响。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的无法模拟梁构件的强度退化机制和无法反映剪跨比和配箍率对构件力学性能的影响，提供了应用性能前馈集中塑性铰单元的抗震分析方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：应用性能前馈集中塑性铰单元的抗震分析方法，包括以下步骤：
S1、构件在不同工况下得到多个弯矩值和多个剪力值，通过计算多个所述弯矩值得到组合弯矩值，通过计算多个所述剪力值得到组合剪力值，根据所述组合弯矩值和组合剪力值计算得到弯剪比和剪跨比；
S2、根据所述弯剪比和剪跨比确定构件的破坏形态，在所述破坏形态下再根据所述弯剪比和所述构件的配箍率确定构件变形指数限值，得到构件位移角-性能状态关系表；
S3、所述构件在不同工况下得到多个构件屈服弯矩和多个构件极限弯矩，根据多个所述构件屈服弯矩计算得到构件抗弯屈服承载力，根据多个所述构件极限弯矩计算得到1.1倍构件抗弯极限承载力；
S4、根据所述构件位移角-性能状态关系表、所述构件抗弯屈服承载力和所述1.1倍构件抗弯极限承载力，确定多个关键骨架曲线点；
S5、根据多个所述键骨架曲线点，绘制性能前馈集中塑性铰单元的本构骨架曲线图；
S6、根据所述性能前馈集中塑性铰单元的本构骨架曲线图，通过软件分析得到所受内力与性能指标关系曲线图。
更优的选择，步骤S4中多个所述关键骨架曲线点包括Y点、U点、L点和R点，所述Y点对应所述构件的轻微损坏状态，所述U点对应所述构件的轻度损坏形态，所述L点为对应所述构件的中度损坏形态，所述R点对应所述构件的严重损坏形态。
更优的选择，步骤S6中的所述所受内力与性能指标关系图包括性能前馈集中塑性铰单元和纤维单元的滞回曲线对比图、不同剪跨构件滞回曲线对比图、不同配箍率构件滞回曲线对比图和不同材料类型构件滞回曲线对比图。
更优的选择，步骤S2中的所述破坏形态包括弯控、弯剪控和剪控。
更优的选择，步骤S2中的所述构件变形指标限值包括钢筋混凝土构件变形指标限值或型钢混凝土构件变形指标限值。
更优的选择，步骤S1中的所述组合弯矩值的计算公式为MD+0.5ML+αME，MD为构件在恒荷载工况下的弯矩值；ML为构件在活荷载工况下的弯矩值；ME为构件在水平地震作用工况下的弯矩值；α为地震力系数。
更优的选择，步骤S1中的所述组合剪力值的计算公式为VD+0.5VL+αV，VD为构件在恒荷载工况下的剪力值；VL为构件在活荷载工况下的剪力值；VE为构件在水平地震作用工况下的剪力值；α为地震力系数。
本发明相对现有技术具有以下优点及有益效果：
本发明通过应用性能前馈集中塑性铰单元的抗震分析方法，可以良好地模拟构件的强度退化效应，良好地反应剪跨对构件力学性能的影响，良好地反应配箍对构件力学性能的影响，良好地反应材料类型对构件滞回特性的影响。
附图说明
图1是本发明的应用性能前馈集中塑性铰单元的抗震分析方法流程图；
图2是本发明的能前馈集中塑性铰单元的本构骨架曲线图；
图3是本发明的连梁的I截面的能前馈集中塑性铰单元的本构骨架曲线图；
图4是本发明的连梁的J截面的能前馈集中塑性铰单元的本构骨架曲线图；
图5是本发明的性能前馈集中塑性铰单元与纤维单元的滞回曲线对比图；
图6是本发明的不同剪跨构件滞回曲线对比图；
图7是本发明的不同配箍率构件滞回曲线对比图；
图8是本发明的不同材料类型构件滞回曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述,实施例不能在此一一赘述,但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
性能前馈集中塑性铰单元，英文全称为Performance Feedforward LumpedPlastic Hinge，简称为PFLPH单元。本实施例以连梁为例，应用性能前馈集中塑性铰单元的抗震分析方法，包括以下步骤：
S1、构件在不同工况下得到3个弯矩值和3个剪力值；根据3个弯矩值通过计算得到组合弯矩值，根据3个剪力值通过计算得到组合剪力值，再根据组合弯矩值和组合剪力值得到弯剪比m和剪跨比λ。
组合弯矩值M的计算公式：
M＝MD+0.5ML+αME
M为构件在组合不同工况下的弯矩值，简称组合弯矩值；MD为构件在恒荷载工况下的弯矩值；ML为构件在活荷载工况下的弯矩值；ME为构件在水平地震作用工况下的弯矩值；α为地震力系数。
组合剪力值V的计算公式：
V＝VD+0.5VL+αVE
V为构件在组合不同工况下的剪力值，简称组合剪力值；VD为构件在恒荷载工况下的剪力值；VL为构件在活荷载工况下的剪力值；VE为构件在水平地震作用工况下的剪力值；α为地震力系数。
弯剪比m计算公式：
Figure BDA0003026551350000051
M为组合弯矩值；V为组合剪力值；Mn为偏心受力构件抗弯承载力，计算中钢筋和混凝土取材料强度平均值；Vn为偏心受力构件抗剪承载力，计算中钢筋和混凝土取材料强度平均值。
剪跨比λ计算公式：
Figure BDA0003026551350000052
λ为剪跨比；M为计算截面与剪力值V相应的弯矩值；V为计算截面与弯矩值M相应的剪力值；h0为截面有效高度。
本实施例中取该连梁的两个端截面为控制截面，分别编号为I截面和J截面，首先计算两个截面的弯剪比和剪跨比。
S2、根据表1中的弯剪比和剪跨比确定构件的破坏形态，再根据表2中的弯剪比和构件的配箍率确定构件变形指数限值(根据弯剪比和剪跨比在广东《建筑工程混凝土结构抗震性能设计规程》中可查得构件的所有性能指标)，得到表3的构件位移角-性能状态关系表；破坏形态包括弯控、弯剪控和剪控。构件变形指数限值包括钢筋混凝土构件变形指标限值或者型钢混凝土构件变形指标限值，对于钢筋混凝土构件性能前馈集中塑性铰单元的性能指标由钢筋混凝土构件变形指标限值确定。对于型钢混凝土构件，性能前馈集中塑性铰单元的性能指标由型钢混凝土构件变形指标限值确定。
表1钢筋混凝土梁破坏形态判断标准
Figure BDA0003026551350000061
注：其他情况指剪跨比和弯剪比组合不属于弯控和剪控的情况
表2钢筋混凝土梁弹塑性位移角限值
Figure BDA0003026551350000062
注：m为弯剪比，ρv为体积配箍率，ρsv面积配箍率。
表3构件位移角-性能状态关系表
Figure BDA0003026551350000063
Figure BDA0003026551350000071
本实施例中的根据弯剪比和剪跨比，判断该两个截面是属于剪控还是弯控，经判断后I截面属于剪控，J截面属于弯控。根据表2钢筋混凝土梁弹塑性位移角限值，通过插值计算获得I截面和J截面的各项性能指标，计算结果如表4连梁位移角-性能状态结果统计表。
表4连梁位移角-性能状态结果统计表
截面 θ<sub>1</sub> θ<sub>2</sub> θ<sub>3</sub> θ<sub>4</sub> θ<sub>5</sub> θ<sub>6</sub>
I截面 0.004 0.0068 0.0093 0.0121 0.0143 0.0166
J截面 0.004 0.0143 0.0209 0.0271 0.0333 0.038
S3、构件在不同工况下得到4个构件屈服弯矩和4个构件极限弯矩，根据4个构件屈服弯矩计算得到My，根据4个构件极限弯矩计算得到Mu，My表示构件抗弯屈服承载力，Mu表示1.1倍构件抗弯极限承载力。
My的计算公式如下所示：
My＝γGMyGE+γEhMyEh+γEvMyEv+ΨwγwMyw
γG为重力荷载分项系数；γEh为水平地震作用分项系数；γEv为竖向地震作用分项系数；γw为风荷载分项系数；Ψw为风荷载的组合值系数；MyGE为重力荷载下的构件屈服弯矩；MyEh为水平地震作用下的构件屈服弯矩；MyEv为竖向地震作用下的构件屈服弯矩；Myw为风荷载下的构件屈服弯矩。
Mu的计算公式如下：
Mu＝γGMuGE+γEhMuEh+γEvMuEv+ΨwγwMuw
γG为重力荷载分项系数；γEh为水平地震作用分项系数；γEv为竖向地震作用分项系数；γw为风荷载分项系数；Ψw为风荷载的组合值系数；MuGE为重力荷载下的构件极限弯矩；MuEh为水平地震作用下的构件极限弯矩；MuEv为竖向地震作用下的构件极限弯矩；Muw为风荷载下的构件极限弯矩。
本实施例中的通过计算该连梁的构件内力，得到My和Mu，该连梁的I截面的My为388kN·m和Mu为478kN·m，连梁的J截面的My为713kN·m和Mu为780kN·m。
S4、根据所述构件位移角-性能状态关系表、My和Mu，确定4个关键骨架曲线点，关键骨架曲线点包括Y点、U点、L点和R点；其中，Y点对应构件的轻微损坏状态，U点对应构件的轻度损坏状态，L点对应构件的中度损坏状态，R点对应构件的严重损坏状态。
Y点计算公式：
xY＝θ1
yY＝My
U点计算公式：
xU＝θ3-θ1
yU＝Mu
L点计算公式：
xL＝θ4-θ1
yL＝Mu
R点计算公式：
xR＝θ6-θ1
yR＝0.5Mu
本实施例中的该连梁通过以上计算公式，该连梁的I截面和J截面关键点坐标统计机构如表5连梁I截面和J截面关键点坐标统计表所示。
表5连梁I截面和J截面关键点坐标统计表
Figure BDA0003026551350000091
S5、根据所述Y点、U点、L点和R点，绘制构件的θ-M曲线图,作为绘制得到性能前馈集中塑性铰单元的本构骨架曲线图。
本实施例中的I截面的性能前馈集中塑性铰单元的本构骨架曲线图如图3所示，J截面的性能前馈集中塑性铰单元的本构骨架曲线图如图4所示。
S6、根据性能前馈集中塑性铰单元的本构骨架曲线图，确定构件在不同的塑性变形值条件下的构件内力；基于性能前馈集中塑性铰单元的本构模型，运用Abaqus有限元分析软件对该本构模型进行低周往复加载模拟，绘制滞回曲线，测试性能前馈集中塑性铰单元得数值模拟性能，得到所受内力与性能指标关系曲线图。所受内力与性能指标关系曲线图包括性能前馈集中塑性铰单元和纤维单元的滞回曲线对比图、不同剪跨构件滞回曲线对比图、不同配箍率构件滞回曲线对比图和不同材料类型构件滞回曲线对比图。
本实施例中通过更改该连梁的剪跨比及配箍率等指标，测试在地震往复荷载作用下性能前馈集中塑性铰单元的性能优势。
1)性能前馈集中塑性铰单元可以良好地模拟构件的强度退化效应。
对于轴压较小的RC构件(Reinforced Concrete，钢筋混凝土)或SRC构件(SteelReinforced Concrete，型钢混凝土)，由于钢筋硬化系数的存在，纤维单元常呈现硬化趋势，而无法模拟构件的强度退化机制。特别对于对称配筋的RC构件或SRC构件，塑性发展后期基本表现为拉区、压区钢筋相互平衡的受力特性，具有极好的耗能性能，难以反应构件真实力学性能。然而，构件性能指标来源于庞大的试验数据，性能前馈集中塑性铰单元可以根据性能指标确定本构模型，可模拟构件的强度退化机制。
图5为性能前馈集中塑性铰单元和纤维单元的滞回曲线对比图。图5展示了分别使用纤维单元和性能前馈集中塑性铰单元的连梁在地震往复荷载作用下的滞回曲线响应。从图中可以看出，在使用性能前馈集中塑性铰单元后，构件刚度随着加载次数的增加不断减小，滞回曲线由最初的饱满曲线退化为捏拢曲线。
2)性能前馈集中塑性铰单元可以良好地反应剪跨对构件力学性能的影响。
图6为不同剪跨构件滞回曲线对比图。图6展示了小剪跨比和大剪跨比的连梁在地震往复荷载作用下的滞回曲线响应。从图中可以看出，在使用性能前馈集中塑性铰单元后，剪跨比对构件的刚度退化情况有显著影响，小剪跨比构件的刚度退化速度更快，大剪跨比构件的刚度退化速度更慢。
3)性能前馈集中塑性铰单元可以良好地反应配箍对构件力学性能的影响。
图7为不同配箍率构件滞回曲线对比图。图7展示了0.8％配箍率和0.6％配箍率的连梁在地震往复荷载作用下的滞回曲线响应。从图中可以看出，在性能前馈集中塑性铰单元后，配箍率对构件的刚度退化情况有显著影响，小配箍率梁的刚度退化速度更快，大配箍率构件的刚度退化速度更慢。
4)性能前馈集中塑性铰单元可以良好地反应材料类型对构件滞回特性的影响。
图8为不同材料类型构件滞回曲线对比图。图8展示了采用钢骨性能前馈集中塑性铰单元和钢筋混凝土性能前馈集中塑性铰单元的连梁在地震往复荷载作用下的滞回曲线响应。由图可知，采用不同材料的性能前馈集中塑性铰单元对构件的刚度退化影响十分显著。采用钢骨性能前馈集中塑性铰单元的构件刚度退化速度较慢，从第3轮加载开始，构件的刚度不再退化。采用钢筋混凝土的性能前馈集中塑性铰单元的构件刚度退化速度较快，退化幅度较大。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.应用性能前馈集中塑性铰单元的抗震分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构件在不同工况下得到多个弯矩值和多个剪力值，通过计算多个所述弯矩值得到组合弯矩值，通过计算多个所述剪力值得到组合剪力值，根据所述组合弯矩值和组合剪力值计算得到弯剪比和剪跨比；
S2、根据所述弯剪比和剪跨比确定所述构件的破坏形态，在所述破坏形态下再根据所述弯剪比和所述构件的配箍率确定构件变形指数限值，得到构件位移角-性能状态关系表；
S3、所述构件在不同工况下得到多个构件屈服弯矩和多个构件极限弯矩，根据多个所述构件屈服弯矩计算得到构件抗弯屈服承载力，根据多个所述构件极限弯矩计算得到1.1倍构件抗弯极限承载力；
S4、根据所述构件位移角-性能状态关系表、所述构件抗弯屈服承载力和所述1.1倍构件抗弯极限承载力，确定多个关键骨架曲线点；
S5、根据多个所述键骨架曲线点，绘制性能前馈集中塑性铰单元的本构骨架曲线图；
S6、根据所述性能前馈集中塑性铰单元的本构骨架曲线图，通过软件分析得到所受内力与性能指标关系曲线图。
2.根据权利要求1所述应用性能前馈集中塑性铰单元的抗震分析方法，其特征在于，步骤S4中多个所述关键骨架曲线点包括Y点、U点、L点和R点，所述Y点对应所述构件的轻微损坏状态，所述U点对应所述构件的轻度损坏形态，所述L点为对应所述构件的中度损坏形态，所述R点对应所述构件的严重损坏形态。
3.根据权利要求1所述应用性能前馈集中塑性铰单元的抗震分析方法，其特征在于，步骤S6中的所述所受内力与性能指标关系图包括性能前馈集中塑性铰单元和纤维单元的滞回曲线对比图、不同剪跨构件滞回曲线对比图、不同配箍率构件滞回曲线对比图和不同材料类型构件滞回曲线对比图。
4.根据权利要求1所述应用性能前馈集中塑性铰单元的抗震分析方法，其特征在于，步骤S2中的所述破坏形态包括弯控、弯剪控和剪控。
5.根据权利要求1所述应用性能前馈集中塑性铰单元的抗震分析方法，其特征在于，步骤S2中的所述构件变形指标限值包括钢筋混凝土构件变形指标限值或型钢混凝土构件变形指标限值。
6.根据权利要求1所述应用性能前馈集中塑性铰单元的抗震分析方法，其特征在于，步骤S1中的所述组合弯矩值的计算公式为MD+0.5ML+αME，MD为构件在恒荷载工况下的弯矩值；ML为构件在活荷载工况下的弯矩值；ME为构件在水平地震作用工况下的弯矩值；α为地震力系数。
7.根据权利要求1所述应用性能前馈集中塑性铰单元的抗震分析方法，其特征在于，步骤S1中的所述组合剪力值的计算公式为VD+0.5VL+αV，VD为构件在恒荷载工况下的剪力值；VL为构件在活荷载工况下的剪力值；VE为构件在水平地震作用工况下的剪力值；α为地震力系数。
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