吳平川

1）中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱150080

2）河北工程大學(xué)，邯鄲056038

基于柔度法的結(jié)構(gòu)非線性分析方法研究

吳平川1，2）

1）中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱150080

2）河北工程大學(xué)，邯鄲056038

目前可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)三維非線性分析的計(jì)算模型主要包括微觀模型和宏觀模型。微觀模型雖然力學(xué)原理清晰，但存在建模難、計(jì)算量大、試驗(yàn)分析校正困難等問(wèn)題，對(duì)于實(shí)際復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析完全依賴微觀模型模擬是不現(xiàn)實(shí)的。與微觀模型相對(duì)應(yīng)的是宏觀模型，宏觀模型具有單元自由度少，計(jì)算量小的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的彈塑性地震反應(yīng)分析，但宏觀模型不能很好地描述結(jié)構(gòu)的微觀破壞機(jī)理。

對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維地震非線性分析而言，單純采用宏觀模型或微觀模型的任何一種都無(wú)法同時(shí)滿足計(jì)算精度和計(jì)算效率問(wèn)題。為此需要在計(jì)算精度和計(jì)算代價(jià)之間尋求一個(gè)較好的平衡點(diǎn)。本文認(rèn)為可利用兩種途徑來(lái)解決：①宏、微觀結(jié)合的桿系模型方法。即近幾年提出的多尺度計(jì)算模型，該模型是將微觀模型和宏觀模型結(jié)合起來(lái)應(yīng)用的一種分析方法。對(duì)于結(jié)構(gòu)中受力比較復(fù)雜的某些部位或者構(gòu)件，例如節(jié)點(diǎn)區(qū)域、角柱等可以采用較為精細(xì)的微觀模型，而對(duì)于那些相對(duì)次要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件則可以采用宏觀模型。這種將微觀模型和宏觀模型結(jié)合到一起的方法可以大大縮減結(jié)構(gòu)的自由度，從而降低計(jì)算時(shí)間。②采用柔度法計(jì)算。在理論上柔度法有其明顯的優(yōu)越性，并且其最大的優(yōu)點(diǎn)在于一根桿件僅采用一個(gè)單元來(lái)模擬就可以達(dá)到相當(dāng)?shù)木?，這樣可以同時(shí)滿足計(jì)算精度和計(jì)算效率問(wèn)題。

鑒于宏、微觀結(jié)合桿系模型和柔度法的優(yōu)點(diǎn)，本文對(duì)其進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究。

基于柔度法考慮剪切效應(yīng)纖維模型的結(jié)構(gòu)非線性分析方法。為了考慮剪跨比較小桿件的非彈性剪切效應(yīng)的影響，本文對(duì)柔度法纖維模型進(jìn)行了改進(jìn)，在柔度法纖維模型中加入了剪切效應(yīng)，選擇目前較為公認(rèn)的Park三參數(shù)滯回模型作為剪力－剪切變形滯回特征的描述，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)將該方法嵌入到大型通用有限元程序ABAQUS中，給出了基于柔度法考慮剪切效應(yīng)纖維模型的結(jié)構(gòu)非線性分析方法，最后通過(guò)算例驗(yàn)證了該方法的可靠性和有效性。

基于柔度法的鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析方法。將柔度法纖維模型推廣應(yīng)用于鋼骨混凝土構(gòu)件，探討了各參數(shù)對(duì)鋼骨混凝土構(gòu)件彎矩－曲率的影響；綜合鋼骨混凝土構(gòu)件的受力特性和現(xiàn)有鋼骨混凝土構(gòu)件的恢復(fù)力模型，建議了適用于鋼骨混凝土壓彎構(gòu)件的四折線恢復(fù)力模型，并規(guī)定了詳細(xì)的滯回規(guī)則，將其與柔度法相結(jié)合，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)將該方法嵌入到通用有限元程序ABAQUS中，給出了基于柔度法四折線恢復(fù)力模型的鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析方法。通過(guò)算例，驗(yàn)證了柔度法纖維模型和柔度法四折線恢復(fù)力模型在模擬鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析方面均具有足夠的精度。

基于塑性理論屈服面模型的研究。為了推廣基于塑性理論屈服面模型在結(jié)構(gòu)非線性分析中的應(yīng)用，本文將其與柔度法相結(jié)合，在桿件上選取若干截面點(diǎn)通過(guò)數(shù)值積分的方法來(lái)考慮分布塑性。并通過(guò)二次開(kāi)發(fā)將該方法嵌入到通用有限元程序ABAQUS中，給出了基于柔度法屈服面模型的結(jié)構(gòu)非線性分析方法。最后通過(guò)算例驗(yàn)證了該方法的可靠性和有效性。

對(duì)柔度法纖維模型和柔度法屈服面模型的計(jì)算效率和計(jì)算精度進(jìn)行了對(duì)比，表明兩種模型可以互補(bǔ)共同用于結(jié)構(gòu)的非線性分析中。為此，將基于柔度法考慮剪切效應(yīng)的纖維模型和基于柔度法的屈服面模型相結(jié)合，對(duì)9層1：6鋼筋混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行地震反應(yīng)分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，表明本文方法兼顧了計(jì)算效率和計(jì)算精度，具有較好的可靠性和穩(wěn)定性，可以比較真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)的彈塑性地震反應(yīng)，這對(duì)研究結(jié)構(gòu)三維非線性地震反應(yīng)有較大的參考意義。

非線性；柔度法；纖維模型；鋼骨混凝土柱；四折線恢復(fù)力模型；屈服面模型；二次開(kāi)發(fā)；ABAQUS UEL

TU37；

A；

10.3969／j.issn.0235－4975.2012.05.013

（作者電子信箱，吳平川：wpch2006＠126.com）