《基于纤维模型的外包钢加固混凝土框架结构静力弹塑性分.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于纤维模型的外包钢加固混凝土框架结构静力弹塑性分.pdf（7页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、2 0 1 0年 1月第 26卷 第 1期 沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Journal of Shenyang Jianzhu University(N atural Science)Jan.2010Vo l.26,N o.1 收稿日期:2008-11-12基金项目:国家科技支撑计划重大项目(2006BA J03A04);湖南省教育厅科研项目(08C785)作者简介:潘志宏(1970),男,副教授,博士,主要从事既有结构抗震研究.文章编号:1671-2021(2010)01-0068-07基于纤维模型的外包钢加固混凝土框架结构静力弹塑性分析潘志宏1,2,李爱群2,孙义刚
2、3(11江苏科技大学土木与建筑工程学院,江苏 镇江 212003;21东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室,江苏 南京 210096;31邵阳学院城市建设系,湖南 邵阳 422000)摘 要:目的 发展弹塑性数值模拟方法,为外包钢加固框架结构的抗震性能分析提供参考.方法 基于纤维模型,提出对采用外包钢加固的混凝土柱进行静力非线性分析的方法,在此基础上研究在结构整体层次上的外包钢加固框架结构静力弹塑性分析方法,截面分析、构件分析及结构分析均在 OpenSees平台上编程实现.结果 构件层次上,经与两次不同试验的结果比较,验证了方法正确可行.运用自编程序,结合实际加固方案,探讨了在常用
3、工程分析软件中如何进行外包钢加固框架这一特殊结构的静力弹塑性分析的实用方法.结论 弹塑性分析方法能反映出局部加强后结构失效的演化过程,能方便地用于加固后结构抗震性能评估.关键词:纤维模型;OpenSees;静力弹塑性分析;外包钢加固;抗震性能中图分类号:TU32315;TU37514 文献标志码:A 一般认为混凝土框架结构抗震性能要好于砌体结构,但汶川地震中框架破坏严重甚至倒塌现象并不少见.对震后框架结构进行修复,提高既有框架结构抗震性能,对加固后的结构抗震性能进行检测已成为不可忽视的问题.混凝土框架梁柱进行加固,外包钢是常用有效方法之一,近年来还有与其他新材料复合发展的趋势 1.外包钢加固后
4、成为组合结构,国外加固当中应用较多的 steeljacketing 2-3与国内常用的型钢骨架湿式外包钢存在差异;国内以往对外包钢加固在构件层次的试验和理论研究较多,但关注的重点是承载能力,对于框架结构在结构整体层次的抗震性能试验研究却不多见,针对结构整体弹塑性变形能力的理论研究、数值模拟少有报道,研究滞后于工程应用的需要.特别需要注意的是,外包钢加固一般只是用于结构的局部,加固后形成的复合结构体系受力性能更加复杂,不适当的局部加强甚至可能会引起薄弱部位的转移,因此,对这种加固结构在中大震下的抗震性能更加需要注意.量化中震可修,强化第二阶段抗震设计方法,实现合理的破坏机制,确保大震不倒的设防目
5、标得以实现,既是当前地震震害的总结,也是对震后抗震加固工作的要求,需要加强弹塑性分析来加以实现,基于性态的抗震设计发展中也要求对结构在中震和大震下的弹塑性性能有深入的了解和把握 4.因此,正确可靠模拟结构和构件的非线性地震反应是地震工程研究的重要任务.近年来,纤维模型受到广泛关注,被认为在理论上具有较高精度 5,但是目前纤维模型在组合结构上的应用还不多,对于外包钢加固后形成的复合结构体系基于纤维模型的分析未见报道.基于此笔者以纤维模型截面分析为基础,提出了外包钢加固框架结构的结构整体层次的静力弹塑性分析方法,为外包钢加固框架结构的抗震性能分析提供参考第 26卷潘志宏等:基于纤维模型的外包钢加固
6、混凝土框架结构静力弹塑性分析69 依据.1 基于 OpenSees纤维模型非线性分析的实现过程 OpenSees(Open System for Earthquake Eng-ineering Si m ulation)是应用于结构和岩土方面地震反应模拟的一个完全开放并不断发展的程序平台 6.OpenSees模拟分析可用于静力弹塑性分析、静力反复循环分析、动力时程分析等多个方面 6-7.在非线性分析中,引入了丰富的能较好反映实际受力性能的材料模型,材料和单元可以不断扩充,由于集成了基于柔度法的梁柱单元,具有从材料本构到截面再到构件或结构等不同层次的清晰思路,能将纤维模型引入结构整体的三维非弹性
7、地震反应分析,具有较好的非线性数值模拟精度,能较好地模拟结构构件的地震反应 8.111 材料定义混凝土材料定义为适用于纤维模型分析的uniax iaM l aterialConcrete01 单轴材料,其反复受压时的骨架曲线为 Kent-Scott-Park模型,本构关系由上升段二次曲线、下降直线段和水平直线段三段组成.对于约束混凝土,采用以体积配箍率表示的约束指标(配箍特征值)来考虑对应力和应变增大作用,并通过修改无约束混凝土受压骨架曲线应变软化段的斜率来考虑约束作用的影响,因此,能反映约束混凝土随箍筋配置产生的强度提高以及峰值应变增大的特点,考虑了体积配箍率、箍筋屈服强度、箍筋间距对约束混
8、凝土力学性能的影响.当前,关于约束混凝土研究的文献较多,但针对外包钢围套加固后的混凝土本构关系研究很少,笔者在参考相关资料的基础上,为简化分析,将外包钢围套等同于箍筋,用约束指标来考虑约束增强作用.外包钢和普通混凝土的约束作用增强系数按式(1)计算:K=1+Qsfyhfcc,(1)式中:Qs为体积配箍率;fyh为箍筋(扁钢箍)屈服强度;fcc为混凝土圆柱体抗压强度.钢筋和外包角钢均采用双线性带可选各向同性强化的 steel01材料.112 截面及单元定义在截面定义时,将混凝土、钢筋、外包角钢纤维分别采用 patch rect(或 patch quadr)进行定义,其中每根钢筋定义一个纤维.对于
9、普通混凝土柱(原型柱)截面,核心混凝土纤维单元,材料本构关系考虑箍筋约束作用,外围保护层无约束混凝土纤维单元,采用无约束混凝土本构关系;为简化计算,不考虑外包角钢的滑移,将外包钢围套内核心混凝土截面划分为约束混凝土纤维单元,每个角钢划分为 2个钢纤维单元.截面纤维定义如图1所示.图 1 截面纤维定义 OpenSees中的非线性梁柱单元按基于位移(D isplacem ent based ele m ent)和基 于力(Forcebased elements)分为两大类,特别在模拟可能发生软化的不稳定结构时,单元划分数量和积分点数量的选择对分析精度影响很大.经过试算比选,笔者采用基于力的分布塑性
10、 nonlinearBeamCo-lu mn单元,在单元定义时设定沿杆件纵向的积分点数.113 分析求解首先采用荷载控制(按荷载步施加竖向荷载),进行一次非线性分析,再定义水平加载模式,对顶部监测结点采用位移控制的积分方案进行水平方向推覆.求解时采用 New ton-Raphson,Broyden,New ton线性搜索等多种迭代算法控制收敛.通过建立 recorder对象,记录结点位移,单元内力,同时采用 section命令记录指定积分点处截面上不同位置的钢筋纤维、外包钢纤维和混凝土纤维推覆全过程的应力应变.2 截面分析截面分析可以获得梁柱杆件由不同截面形式、尺寸和配筋方式形成的在不同轴压下
11、的恢复70 沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 26卷力特性.OpenSees从单轴材料本构出发,可得到合理的截面属性,它采用的基于柔度方法就是建立在积分点处截面分析的基础之上,进行构件和结构的分析.本文的截面分析程序中采用定义零长单元,在施加轴力后对截面施加转动位移,得到弯矩曲率关系.通过记录外包钢、钢筋和混凝土纤维的应力应变情况,得到截面屈服、最大曲率等恢复力特征点.需要指出的是,外包钢加固后构件截面塑性铰行为的试验资料很少,笔者提出的分布塑性的纤维截面分析可以为塑性铰的定义提供依据.3 构件分析为验证方法的可靠性,笔者在文献 9 中对外包钢加固混凝土柱进行分析,选取了
12、两次不同的低周反复试验进行模拟分析计算,并与试验结果比较.文献 1为研究外包钢与碳纤维布复合加固钢筋混凝土柱抗震性能,进行了低周反复试验.对LCS 0-2进行推覆分析得到的荷载位移曲线与试验骨架曲线(如图 2(a)所示).对比图中试验骨架曲线和分析曲线,可以看出分析结果与试验结果均吻合较好.对文献 10长柱进行推覆分析得到的荷载位移曲线与试验骨架曲线(如图 2(b)所示).从图中还可看到,采用纤维模型对未加固的混凝土原型柱的分析结果与试验结果也很一致.两次仿真分析结果表明笔者提出的分析方法正确可行,材料、截面等参数设置合理.图 2 构件分析结果4 结构分析算例在前面构件分析的基础上建立结构模型
13、,即可进行结构整体层次的静力弹塑性分析.本次截面分析、构件分析及结构分析等方法均在 OpenS-ees平台上编程实现,程序中通过记录的结点位移方便获得推覆全过程的结构层间位移,此外通过recorder对象记录的积分点处混凝土,外包钢和受力主筋的应力获得结构不同部位在推覆全过程分析中的受力状态,得到屈服、截面破坏等结构局部部位的重要信息,根据记录的塑性铰发展过程可得到结构的破坏机制.下面运用自编程序,结合工程算例对采用笔者方法进行结构整体层次的静力弹塑性分析加以说明.411 工程概况某七层带外挑走廊的框架结构教学楼,结构平面和立面图见图 3.框架柱截面尺寸 400mm 400 mm,配 12 2
14、5 级钢筋,箍筋为 8 200mm,梁截面尺寸 600 mm 200 mm,上下各配4 25级钢筋,箍筋为 6 200mm.混凝土强度为 C18.经过验算,轴底层柱轴压比过大,且弹塑性分析发现底层 轴在大震下层间位移角超限,需进行加固.提出的加固方案之一为对 轴底层梁柱采用湿式外包钢加固,表 1中列出了可能采取的 6种不同加固方式,其中柱加固缀板均采用-75 mm 6 mm,梁缀板-50 mm 6 mm,间距均为 200 mm.笔者采用自编的静力弹塑性分析程序,对该方案进行评价.由于结构平面规则,选取其中一榀框架进行分析.分析中,材料第 26卷潘志宏等:基于纤维模型的外包钢加固混凝土框架结构静
15、力弹塑性分析71 强度采用标准值,首先施加重力荷载代表值,推覆分析水平加载采用倒三角模式,在图 3(b)中从左向右推覆,取顶层梁端结点位移作为结构顶点位移.图 3 框架结构布置图表 1 框架加固方式及层间位移角 1/50时的基底剪力和顶点位移方案加固措施顶点位移Dtop/mm基底剪力VBase/kN1未加固329.054260.31342 底层柱 L75 6梁 L50 6加固305.674299.96823底层柱 L 75 6加固313.502290.6794底层柱梁均用 L 50 6加固308.293299.41495底层柱 L 50 6加固316.131288.7016 底层柱 L80 7
16、梁 L50 6加固305.626300.80097底层柱 L 80 7加固313.449292.5587412 基底剪力与顶点位移关系表 1中未加固和加固框架的基底剪力与顶点位移曲线对比如图 4所示.从图中可以看出,外包钢加固底层梁柱后,结构初始刚度增加不多,结构承载能力得到了一些提高,但提高程度有限;加固底层框架梁后对结构整体的刚度和结构水平承载能力有影响,加固后梁刚度和承载能力都有所提高;柱的不同加固方式对初期结构性能影响不大,但会影响结构卸载点的位置,而结构卸载与结构中相对薄弱部位的演化发展有关.图 4 不同加固方式下框架结构荷载位移曲线413 层间位移对表 1所列不同加固方式进行静力弹
17、塑性分析,将刚好达到规范规定(1/50)时框架层间位移角曲线绘于图 5,此时的基底剪力和顶部位移见表 1.从图中可见,对底层外包钢加固后,在这一特定状态下,结构层间位移状况发生重大改变,底层层间位移大大降低的同时,第 3层层间变形变得很大,成为比较明显的薄弱层,最终导致结构失效.类似基底剪力和顶点位移曲线,层间位移曲线72 沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 26卷大体也按是否加固框架梁分为 2组,梁加固后的底层层间位移明显降低,而底层柱的不同加强程度,对结构影响的差别主要表现在底层层间位移上,对上层的影响甚微,更无法避免第 3层形成薄弱层.从表 1中可见,各种加固方式下,
18、特别是即使过度加强底层,结构层间位移角达到 1/50时的基底剪力和顶点位移差别不大,表明结构的延性没有得到显著提高.综合结构承载力的改变情况,由于加固后结构的强度和变形能力改善不明显,可以判断本工程采用湿式外包钢加固底层的方案是不适合的.图 5 层间位移曲线 采用笔者方法,通过对结构整体层次的荷载位移关系和层间位移结果分析,能从结构失效的全过程中方便地发现和避免因过度关注局部加强,忽视结构整体性能而导致加固失去意义甚至适得其反的情况.414 外包钢与受力主筋应力监测方案 3加固方式下,底层柱脚处外包钢和受拉钢筋全过程的应力见图 6.可以看到,右边柱(有挑廊)由于轴压大,比左柱后屈服.外包钢柱首
19、先外包角钢屈服,随着推覆力的加大,纵筋屈服.415 实用分析方法探讨尽管 OpenSees的仿真分析功能强大,但由于前后处理及程序编制的繁琐,要被工程技术人员接受并应用于工程实际存在困难,因此,有必要探讨在常用分析设计软件中进行外包钢加固混凝土框架的静力弹塑性分析方法.笔者以加固方案 3为例探索在 SAP2000软件中分析的方法,其他常用软件中可类似处理.需要指出的是,笔者分析以获得能力曲线为目的,这之后通过 ATC40的能力谱方法或 FE MA356的目标位移法,最后评价结构抗震性能.图 6 外包角钢与受拉纵筋应力变化41511 截面分析截面分析能获得定义塑性铰所需的屈服弯矩、最大弯矩和最大
20、曲率等截面恢复力参数点.轴力对截面弯矩曲率关系影响很大,轴力弯矩存在相关性,结构在水平力推覆作用下,柱轴力不断变化,是变轴力问题.但由于结构塑性发展后,轴力变化趋缓,而考虑中、大震作用下的静力弹塑性分析关注的也是塑性发展后的结构性能,因此,采用纤维模型截面分析程序,选取结构塑性开展后的左右柱两个轴压力代表值(17137 kN 和 176913kN)进行截面分析,得到的弯矩曲率关系见图 7.图 7 弯矩曲线率关系 观察弯矩曲率关系发现,外包钢屈服时截面塑性不如纵筋屈服后发展充分,进一步简化时可以纵筋屈服弯矩作为截面屈服弯矩.通过 ABC-DE等关键参数点的确定得到简化的截面恢复力第 26卷潘志宏
21、等:基于纤维模型的外包钢加固混凝土框架结构静力弹塑性分析73 曲线,在曲线上定义 IO、LS、CP等性态水平参数点后可以进行基于性态抗震分析和设计.需要指出的是,截面分析也可以采用其他程序,关键是约束混凝土本构关系的选取和参数的合理设置.41512 刚度修正外包钢加固后,梁柱刚度得到提高,加固后刚度采用混凝土结构加固规范 11中的公式计算:EI=EcoIco+015EaAaa2a,(2)式中:Eco,Ico分别为原构件混凝土弹性模量和截面惯性矩;Ea,Aa,aa分别为外包钢弹性模量、面积及拉压两侧外包钢形心间的距离.将计算得到的刚度提高系数在定义截面时输入.41513 模型建立对框架梁和加固后
22、的柱采用用户定义铰,铰属性来自截面分析,未加固柱采用 Auto pm3铰,梁柱都采用 2点集中塑性铰模型.其中,外包钢加固柱根据截面分析得到与不同轴力相对应的一系列屈服弯矩,形成 pm 3相关曲线,再定义轴力作用下的弯矩曲率关系.41514 分析结果的对比静力弹塑性分析得到的荷载位移曲线如图 8所示.由图可见,与纤维模型推覆曲线相当接近,能够反映结构整体性能.再观察底层柱底部两个塑性铰出铰时结构顶点位移分别是 349185 mm和 470176 mm,与纤维模型钢筋屈服时结构位移359123mm 和 437198 mm 比较接近,因此也能反映底层局部部位性能,表明这种实用分析方法是可行的.图
23、8 与 SA P2000分析结果的对比5 结 论(1)笔者以纤维模型截面分析为基础,从截面分析到构件分析,其中构件层次的分析得到了试验验证,表明分析方法正确可行,以此为基础,提出了外包钢加固框架结构的结构整体层次的静力弹塑性分析方法,截面分析,构件分析及结构分析均在 OpenSees平台上通过编程实现.(2)通 过 设 定 塑 性 铰 属 性,笔 者 采 用SAP2000软件分析能得到与纤维模型比较一致的结果,可以适用于工程应用.笔者的思路同样可以用于采用混凝土围套加大截面和外包碳纤维或粘钢加固的混凝土框架结构试验模拟和分析当中.(3)纤维模型尽管能很好地反映弯曲变形,但由于忽略剪切变形的影响
24、,其应用具有局限性.在对截面高跨比较大的框架结构进行分析时,只有恰当考虑剪切变形的影响才能得到准确的结果.在 OpenSees中,提供了组合截面(Section Ag-gregator)方法可以考虑弯曲和剪切的作用.参考文献:1 卢亦焱,陈少雄,赵国藩.外包钢与碳纤维布复合加固钢筋混凝土柱抗震性能试验研究 J.土木工程学报,2005(8):10-17.(Lu Y iyan,Chen Shaoxiong,Zhao G uofan.An ex-peri m ental study on the seis m ic behav ior of rein-forced concrete co lumn
25、strengthened w ith bondedsteelhoopsand carbon fiber reinforced polym er sheet J.China C ivilEngineering Journa,l 2005(8):10-17.)2 ChaiY H,PriestleyM JN,Seible F.Analyticalmod-el for stee-l jacketed RC circular bridge columns J.Journal of Structural Engineering,1994,120(8):2358-2376.3 Yan X iao,W u H
26、u.i Retrofit of reinforced concreteco lumns using partially stiffened steel jackets J.Journalof StructuralEngineering,2003,129(6):725-732.4 Applied Technology Council(ATC-55 Project).Fema-440 i mprove ment of nonlinear static seism ic a-nalysis proceduresR.W ashington:FEMA,2005.5 梁兴文,叶艳霞.混凝土结构非线性分析
27、M.北京:中国建筑工业出版社,2007.(L iang X ingwen,Y e Y anxia.N onlinear analysis ofconcrete structuresM.Beijing:China A rchitecture&Building Press,2007.)6 Silvia M,Frank M,M ichael H S,et a.l OpenSeescommand language manual EB/OL.Berkeley:Pa-cific Earthquake Eng ineering R esearch Center,2006 2008-11-12.http:/o
28、pensees.berkeley.edu/.7 SilviaM azzon,iM cKenna Frank,M ichaelH S,et a.lOpenSees exa mples pri mer EB/OL.Berkeley:Pa-74 沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 26卷cific Earthquake Eng ineering Research Center,2006 2008-11-12.http:/opensees.berkeley.edu/.8 M ichaelH S,K idarsa A.Development of bridge ra-ting app
29、lications using OpenSees and Tcl J.Journalof Com puting in CivilEng ineering,2008,22(4):264-271.9 潘志宏,李爱群.基于纤维模型的外粘型钢加固混凝土柱静力弹塑性分析 J.东南大学学报:自然科学版,2009,39(3):552-556.(Pan Zhihong,L iA iqun.N onlinear static analysisonRC column strengthened w ith externally bonded steelframe based on fibermodel J.Jour
30、nalof SoutheastUniversity:N atural Science,2009,39(3):552-556.)10刘瑛,赵金先,荣强,等.湿式外包钢加固钢筋混凝土柱抗震性能试验研究 J.世界地震工程,2004(1):105-111.(L iuY ing,Zhao Jinxian,Rong Q iang,et a.l The testandstudyonearthquakeresistantcapacityofstrengthening reinforced concrete co lumn w ith wetencased steel J.W orld Earthquake E
31、ngineering,2004(01):105-111.)11四川省建筑科学研究院.GB 50367-2006混凝土结构加固设计规范 S.北京:中国建筑工业出版社,2006.(Sichuang Research Institute of Building Science.GB 50367-2006 Design code for strengthening con-crete structure S.Beijing:China Architecture&Building Press,2006.)Nonlinear StaticAnalysis on RC Frame Strengthened
32、withExternally Bonded Steel Frame Based on FiberModelPAN Zhihong1,2,LIAiqun2,SUN Yigang3(1.School of Civil and A rchitecture Engineering,JiangsuU niversity of Science and T echnology,Zhenjiang China,212003;2.K ey laboratory ofConcrete and Prestressed Concrete StructuresofM inistry of Education,South
33、eastUniversity,Nanjing China,210096;3.Depart m ent ofU rban Construction,Shaoyang University,Shaoyang China,422000)Abstract:The ai m of the study is to develop the nu m erical si mulation approach of the elastoplastic seism icperfor m ance of RC fram e strengthened w ith externally bonded steel fra
34、m e.Base on fiberm ode,l the approachfor nonlinear static analysisofRC column strengthened w ith externally bonded steel frame is proposed on thelevel of componen,t and the si m ulation results are found in good agreement w ith tw o experi m ental results,w hich proves the feasibility of the m ethod
35、.The nonlinear static analysism ethod of RC frame strengthenedw ith externally bonded steel is presented on the structural leve.l The procedures for analysis of section,com-ponent and structure are programmed on OpenSees.The practical nonlinear static analysismethod about howto apply the popular ana
36、lysis software to the strengthened structure is discussed on the evaluation of astrengthening pro ject in comparison w ith the results from progra m in thispaper.The results show that the ap-proach proposed in this paper is able to dem onstrate the evolution of the structural failure after local strength-ening,and can be applied conveniently to the seis m ic evaluation of the strengthened structures.Key words:fiber m ode;l OpenSees;static nonlinear analysis;strengthening w ith externally bonded steelfra m e;seism ic perfor mance