粘钢加固钢筋混凝土墩柱的有限元分析

粘钢加固钢筋混凝土墩柱的有限元分析

中国位于太平洋地震带和欧亚地震带两个最活跃的地震带之间。它位于东太平洋地震带的东端，西和西南是中亚地震带的穿过地区。它是世界上多地震国家之一。中国的地震分布范围很广，地震频繁，而且强烈。桥梁的地震破坏不仅会危及人的生命安全和造成巨大的直接经济损失,还给抗震救灾带来极大的困难,造成次生灾害。桥墩是桥梁结构体系中主要的抗地震侧向力的构件。许多震害表明,桥墩是结构体系中最易遭受地震破坏的构件,因钢筋混凝土桥墩破坏而导致的桥梁严重破坏甚至倒塌现象,已成为现代桥梁震害的最主要特征。例如,1995年日本阪神地震中,神户市内一段长约500m的高架桥因18根独柱墩剪断而侧向倾倒;1999年台湾集集地震中,一重力式桥墩沿着变截面处发生了剪切破坏;2008年汶川地震中,位于映秀镇的百花大桥发生了脆性的弯剪破坏,甚至出现了压溃型破坏。众所周知,钢筋混凝土是一种力学性能极其复杂的非线性材料。传统的理论解析方法只能解决一些非常简单的计算,而对于复杂的钢筋混凝土结构或构件问题,数值分析是一种高效的方法解决。有限元方法作为一种强有力的数值分析工具,在钢筋混凝土的非线性分析中起着越来越重要的作用。随着有限元方法与计算机的不断发展,针对钢筋混凝土的有限元分析软件也大量涌现。目前,国内外常用的有限元软件有OpenSEES、ANSYS、MARC、ADINA、PCAHEST、ABAQUS等,而对于土木工程结构的抗震分析,OpenSEES因其独特的优越性而受到了各国结构工程领域众多研究者的广泛关注。1地震工程研究中心OpenSEES全称是OpenSystemforEarthquakeEngineeringSimulation,是由美国国家自然科学基金(NSF)资助、西部大学联盟“太平洋地震工程研究中心”(PacificEarthquakeEngineeringResearchCenter,简称PEER)主导、加州大学伯克利分校为主研发而成,是用于土木工程结构和岩土方面地震反应模拟的一个较为全面且不断发展的开放的程序软件体系。OpenSEES自从正式推出以来,已广泛用于太平洋地震工程研究中心和美国的一些大学和科研机构的科研项目中,较好地模拟了钢筋混凝土结构、桥梁、岩土工程等众多的实际工程、拟静力试验研究和振动台试验项目,已证明其具有较好的地震非线性响应数值模拟精度。2模型试验工作本次试验试件高度4.45m,加固高度1.05m,加固钢板厚度4mm,轴压比0.1。各试验模型的截面尺寸与配筋情况如图1所示。3钢筋混凝土柱开元模型3.1纤维梁柱单元的刚度变化OpenSEES中提供了多种单元模型,按类型主要可以分为实体模型和杆系模型两大类。其中,实体模型包括二维和三维有限单元实体模型;杆系模型包括桁架单元、弹性梁单元、非线性梁单元和零长度单元。本文采用杆系模型中的非线性梁柱单元(Nonlinearbeamcolumnelement),该单元属于采用插值函数的杆件有限单元模型范畴,允许沿着杆件长度方向刚度变化,单元长度上可设置多个积分控制截面,在分别确定了控制截面各自的截面抗力和截面刚度矩阵以后,按照一定的数值积分方法沿杆长积分计算出整个单元的抗力和刚度矩阵大小。OpenSEES采用基于柔度法的非线性纤维梁柱单元,单元中的力平衡控制方程在全过程中,包括几何大变形和材料进入屈服强非线性时,均可以严格满足,并且柔度法单元可以在任意位置形成塑性铰,特别适合在随机地震作用下考虑材料和几何双重非线性的模拟分析。墩柱加固与非加固部分各一个单元,每个单元设置六个积分点,墩底设为固定端,墩顶约束转动自由度。不考虑墩柱的扭转变形。3.2纤维模型的简介OpenSEES程序提供的截面恢复力模型主要有:弹性恢复力模型、理想弹塑性恢复力模型、两折线强化恢复力模型以及滞回恢复力模型等常规模型,此外,其还提供了更加细化的纤维模型。本文数值分析时的截面采用了纤维模型。纤维模型将构件截面划分为若干个细小纤维,用户可分别定义每个纤维的位置、截面面积和本构关系。纤维模型假定构件的截面在变形过程中始终保持为平面。程序自动根据平截面假定得到每个纤维的应变,并迭代计算确保截面受力平衡。纤维模型能很好地模拟构件的弯曲和轴向变形,但不能模拟构件的剪切非线性和扭曲非线性。粘钢加固钢筋混凝土墩柱的截面主要划分为保护层混凝土纤维(按无约束混凝土材料考虑)、核心区混凝土纤维(按约束混凝土材料考虑)、钢筋纤维和钢板纤维,具体示意图如下所示:3.3混凝土与木材的结构关系3.3.1出现相应的应变混凝土的柱体极限抗压强度32.5MPa,极限应变0.002;极限抗拉强度2.6MPa,相应的应变0.0001。混凝土的本构模型如下(图3):受压段:σ=fc′=n(εε0)n-1+(εε0)nk其中,fc′是极限抗压强度,ε0是对应的极限应变,n和k是参数。3.3.2本实用新型钢材的屈服强度335MPa,弹性模量200GPa,采用Giuffré-Menegotto-Pinto本构模型,如下图4所示。3.4es模型点对点节点施加位移荷载按照拟静力试验位移加载方式,对OpenSEES模型顶点节点施加位移荷载,求解时采用Newton-Raphson。通过建立recorder对象,记录顶部节点位移和底部单元内力。4滞回曲线与总应力曲线的吻合程度采用OpenSEES计算所得各试件的滞回曲线与相应试验滞回曲线的对比情况如图5所示。图5中各试件计算与试验滞回曲线的对比显示,有限元计算滞回曲线大致经历了与试验曲线相似的发展阶段,总体上两者吻合程度较好。OpenSEES计算的曲线正反基本对称,滞回曲线发展平滑稳定,而试验所得滞回曲线正反方向则并不完全对称,两者存在一定差异,这主要是由于试验过程中构件本身的不完全对称,正反向受力时破坏形态的不同以及加载装置的影响等,而有限元计算中诸如材料、加载等各种因素较为稳定。此外,在X轴方向计算与试验所得滞回曲线形状有一定差异,有限元计算时未体现出位移滞后现象且捏拢效应无试验结果明显,这可能是建立有限元模型时未考虑到钢筋与混凝土之间的粘结滑移等,鉴于此,可通过施加零长度单元(Zero-LengthElement)来模拟。5骨架曲线对比用曲线将有限元计算得到的滞回曲线每一级荷载的峰值点连起来,即可得到模型的计算骨架曲线。计算所得各试件的骨架曲线与试验骨架曲线的对比如图6所示。从图6可以看出,有限元计算中,粘钢加固后钢筋混凝土桥墩在循环荷载作用下的荷载-位移骨架曲线大体上经历了直线上升的弹性阶段、弹塑性阶段以及塑性发展阶段,其发展趋势与试验结果吻合。6有限元计算分析结果本文利用OpenSEES程序建立了双向反复荷载作用下粘钢加固钢筋混凝土桥墩的非线性有限元计算模型,将有限元计算得到的各试件荷载-位移滞回曲线和骨架曲线与试验所得曲线进行了对比,得到的主要结论如下:1、有限元计算曲线经历了与试验曲线相似的发展过程,两者基本吻合。但由于试验的不确定性以及计算模型的不足,两者在局部存在一定差异;2、采