钢筋混凝土框架结构地震破坏模拟研究.pdf

第3 l 卷第2 期 2 0 1 4 年6 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．3 1N o ．2 J u n ．2 0 1 4 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 4 ．0 2 ．0 3 2 钢筋混凝土框架结构地震破坏模拟研究术 张光雄8 ，杨a 谢春明b ，余德运6 北京理工大学a ．北阳爆破工程技术有限责任公司；b ．爆炸科学与技术国家重点实验室，北京1 0 0 0 8 1 摘要基于国内外对钢筋混凝土构件的非线性地震反应分析和破坏过程的研究，借助动力分析软件L s D Y N A ，针对目前直接法建立钢筋混凝土模型较为复杂的问题，采用间接法便捷地建立了分离式共节点模 型；并选用汶川地震中某次余震所监测的水平方向的地震波数据作为加载波，对某典型五层框架结构受震破 坏进行了有限元模拟；探讨了结构在受震破坏过程中不同构件的破坏特征及结构的整体破坏倒塌过程，得出 了与实际震害情况比较符合的结果。 关键词地震破坏；钢筋混凝土框架结构；数值模拟 中图分类号T D 2 3 5 ．4 7 文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 4 0 2 0 1 4 4 0 5 S i m u l a t i o nS t u d yo fR CF r a m eS t r u c t u r e 7S D a m a g eu n d e rE a r t h q u a k e Z H A N GG u a n g ．x i o n 9 8 ，Y A N GJ u n 8 ，X I EC h u n m i n 9 6 ，Y UD e ．y u n “ a ．B e i j i n gB i tB l a s t i n gE n g i n e e r i n g T e c h n o l o g yC oL t d ； b ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fE x p l o s i o nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yo fB e i j i n gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ， B e i j i n g1 0 0 0 8 1 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do ns t u d yo fd a m a g ep r o c e s sa n da n a l y s i sf o rn o n l i n e a rs e i s m i cr e s p o n s eo fr e i n f o r c e dc o n e r e t e m e m b e ra th o m ea n da b r o a d ，w i t ht h eL S D Y N A ，i no r d e rt os i m p l i f yr e i n f o r c e dc o n c r e t em o d e lb yd i r e c tm e t h o d ，a c o m m o nn o d es e p a r a t eR Cm o d e lo fat y p i c a lR Cf r a m ew a ss e tu pb yi n d i r e c tm e t h o d ．T h eh o r i z o n t a ld i r e c t i o n a ls e i s m i cd a t ao fW e n c h u a ne a r t h q u a k ew a si n i t i a l l yl o a d e dt oi n v e s t i g a t et h ed a m a g ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ef a i l u r ef e a t u r e s o fd i f f e r e n tp a r t sa n dc o l l a p s ef o r mo ft h es t r u c t u r eb yf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ．T h es i m u l a t i o nr e s u l tf i t t e dp r a c t i c a l s e i s m i cd a m a g ef e a t u r e sw e l l ． K e yw o r d s e a r t h q u a k ed a m a g e ；R Cf r a m es t r u c t u r e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 钢筋混凝土框架结构作为最常见的建筑结构型 式，其非线性的研究已有几十年的历史，但钢筋混凝 土框架破坏过程的研究还只是近十几的事情。当外 荷载作用下结构的位移反应较大，并且持时较长时， 结构就可能发生破坏‘1 ‘3J 。破坏的程度取决于建筑 物的材料特性和结构参数。 有限单元法是用于结构计算分析的数值方法之 收稿日期2 0 1 4 一0 1 2 5 作者简介张光雄 1 9 7 9 一 ，男，博士后，从事爆破地震效应研究 E m a i l z g x n e w s i n a ．c o m 。 基金项目国家自然科学基金项目 5 1 0 7 4 0 2 8 一L 4J ，也是本文所采用的方法，在不考虑材料软化 条件下，其数值解的收敛性和稳定性能利用数学理 论严格证明；加上能方便地与相关非线性分析理论 相结合，自然而然成为当前流行的结构分析方法，被 广泛应用于地震作用下的结构线性和非线性分析， 在结构设计、分析等领域表现出强大的生命力。但 是材料或结构的软化往往会造成总刚度矩阵的非正 定，导致数值解不稳定；位移连续性假设条件，造成 有限元方法难以对结构接近完全倒塌时的非连续问 题进行数值求解和模拟。而对这样的强非线性过程 万方数据 第3 1 卷第2 期 张光雄，杨军，谢春明，等钢筋混凝土框架结构地震破坏模拟研究1 4 5 进行数值模拟和研究，却又很有必要。只有通过这 样的研究，对各种类型结构倒塌的基本现象进行机 理性解释和模拟性再现，才能提出防止和控制结构 倒塌的经济而又安全的措施。 基于当前的研究水平，要利用计算机对结构进 行破坏及倒塌的非线性响应全过程的数值模拟，计 算机的硬件水平已能满足相当高的计算需求。此 外，经过国内外学者的大量理论探索和试验研究，混 凝土和钢筋的本构和破坏准则模型日趋丰富和合 理；显式的离散单元法为不连续位移场的数值计算 提供了一条有效的途径；不管是二维还是三维的图 形显示技术和图像处理也已相当成熟。这一切使得 钢筋混凝土结构破坏及倒塌的数值模拟成为可能。 1 共节点分离式模型的建立 1 ．1 结构模型的建立与尺寸 共节点分离式钢筋混凝土模型的建立过程较复 杂。目前，对于共节点分离式模型，主要采用直接法 lll Ill a 钢筋混凝土结构 a R Cs t r u c t u r e 建立钢筋单元，即通过混凝土单元节点直接建立钢 筋单元；在研究过程中发现采用直接法建立整体结 构的钢筋单元并不简单，因此提出了间接建立钢筋 单元的方法，即先对钢筋所在位置线的属性进行定 义，然后对线进行划分，生成钢筋单元。 对比两种方法可发现直接法是通过控制节点 在x 、y 和Z 三个方向的距离寻找节点对，并且在满 足条件的每一个节点对之间生成一个单元。该方法 对单元规律分布的情形很有优势，比如对箍筋间距 固定的钢筋混凝土构件进行建模，但是在对较大的 实体结构进行建模时，如对整个建筑结构进行模拟 时，该模型要预先考虑混凝土单元的大小，且由于结 构每一部分的钢筋位置存在较大差异，采用直接法 建立钢筋单元的操作过程会非常繁琐；间接法是在 几何结构中钢筋分布位置切割出线，对线进行属性 定义，然后进行钢筋线单元划分，钢筋划分过程不受 混凝土单元形状限制。因此，对于建立钢筋混凝土 整体结构模型来说，采用间接法更为便捷。见图1 。 b 结构的有限元模型 b F E Mm o d e l 图1 框架结构的C A D 与有限元模型 F i g 1 C ．A D a n dF E Mm o d e lo ft h ef r a m es t r u c t u r e 本次所模拟的结构为一五层钢筋混凝土框架砖 填充墙结构，包括基础在内，共划分单元7 0 19 4 2 个， 其中混凝土单元4 0 57 4 6 个，钢筋单元6 20 6 4 个，砖 单元2 3 41 3 2 个，计算时间设定为2 5S 。见图2 。 1 ．2 模型材料及其基本参数 模型主要涉及到三种材料，即钢筋、混凝土与砖 填充墙，其材料的基本物理力学参数见表1 。 表1 材料的物理力学参数 T a b l e1 M a t e r i a l s ’p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s 万方数据 爆破 2 0 1 4 年6 月 a 混凝土框架及基础 a F r a m ea n db a s e b 砖填充墙 b l n f i l l ew a l l 图2 结构有限元模型的各部分解 F i g ．2 F E Mm o d e ls e p a r a t i o no ft h es t r u c t u r e 1 ．3 地震波荷载 对结构进行地震反应分析是研究结构抗震性能 的重要手段，合理选择用来进行时程分析的地震波 对分析本身来说是至关重要的。目前普遍采用有地 基的整体有限元模型，在地基底部输入地震动时程， 地基取有限的区域与基础和上部结构组成一个整体 计算模型，在计算结构地震动力反应时考虑基础与 地基的影响。 分析结构在地震地面运动作用下的反应时有两 种不同的分析模型1 。其中一种模型是将地震地 面运动的位移作为动荷载建立关于绝对坐标系的动 力平衡方程，称为位移输人模型；另一种模型是将结 构在绝对坐标系下的位移响应分解为拟静力反应和 时间／、 a 波形图 a W a v e f o r m 一≤桑蔫蚕篓霎≯ 一磅篱窭囊誊霉誊耖 墓羲蕈尝嚣涉 一嚣掰麓誊喾鑫秘 ，一髻霎雾萋至蠹善篓；画一 c 结构中的钢筋 C S t e l lb a r 动力反应，其中拟静力反应是忽略惯性力的影响后 地面运动位移的静力反应，而动力反应是地面运动 加速度引起的反应，称为加速度输入模型。尽管有 的测试仪器可以同时给出位移、速度和加速度的时 程记录，但实际上在分析仪中应用了运动学关系，真 正测到一般是加速度时程记录。因此，加速度输入 模型得到了广泛地应用，并为人们所熟悉。选用 2 0 0 9 年汶川地震中某次余震所监测的水平方向的 地震波数据。通过调幅后，作为本次模拟的加载地 震波，其加速度的幅值为9 ．5m ／s 2 ，与峰值相对应的 时间为1 6s ，该峰值与汶川地震中所测得的最强地 震波加速度幅值 9 5 7 ．8 9g a l 相近，地震波的主频 为1 7H z ，具体的波形图及频谱特性如图3 所示。 l 2 3 04 05 0 频率／H z b 频谱图 b S p e c t r u m 图3 垂直方向加载的地震波波形及频谱 F i g ．3 S e i s m i cw a v e f o r r na n ds p e c t r u mi nv e r t i c a ld i r e c t i o n 2 数值模拟分析 盖絮袅薹霎盖鬻黧翥裂誉翥激需 地震波在结构下层的岩土中传播，碰撞在结构的窗边缘及边角等，由于应力波的反射、折射和绕射，容 0 0 0 0 0 0 6 5 4 3 2 l O ∞∞∞∞∞m 叭 m m m m ；，坝ⅢⅢ姒 趔窿4『蛮E} 坫三。、∞、她≈ 万方数据 第3 l 卷第2 期 张光雄，杨军，谢春明，等钢筋混凝土框架结构地震破坏模拟研究 1 4 7 易形成拉伸波而引起应力集中，当应力达到一定强度 时，就会造成结构的破坏，下面结合本次模拟计算结 果，对结构各部分的破坏特征进行简单分析。 2 ．1 梁、柱的破坏 钢筋混凝土立柱在受力以后，总是在内力较大 及抵抗力较弱部位开始破坏。由于混凝土的抗拉能 力仅仅为其抗压能力的1 0 ％左右，因此实际上钢筋 混凝土构件内部的裂缝是由于混凝土在受拉区的拉 应力达到抗拉强度所致。而钢筋混凝土构件的受 力，不论是拉、压、弯、剪、扭及其复合作用，该作用都 会直接或间接的引起受拉部位产生裂缝，即使是单 向轴心受压构件，纵向压缩，而横向发生泊松效应， 致使轴心受压构件也有拉裂，产生纵向裂缝。总之， 混凝土构件的受拉部位，就是它的薄弱环节。在受 拉部位，受拉而裂，由裂而断，是混凝土破坏的起源。 当该框架结构底层柱子破坏可引发建筑物的层间破 坏或整体倒塌。 钢筋混凝土梁有两种破坏形式，即弯曲破坏和 剪切破坏。梁的剪切破坏是脆性的或者延性很小， 要防止梁在屈服以前出现剪切破坏，应要求强剪弱 弯，故要合理布置梁内配筋。在该算例中，结构中 门、窗上部的横梁破坏程度比其他部位严重，从另一 个侧面说明填充墙在地震中阻止结构破坏所起的积 极作用。 2 ．2 填充墙的破坏 国内外专家对于框架结构加砖填充墙后的工作 性能的试验结果也表明砖填充墙能与框架结构共同 作用，从而大大增加整个结构的刚度，提高结构的抗 k 震能力。根据前人研究结果及本文的研究均表明， 砖墙填充后的框架结构受力，大致可分为以下三个 工作阶段 第一阶段是从开始加载到墙体沿与框架接触面 出现周边裂缝。 第二阶段是从出现周边裂缝起到墙体中出现对 角裂缝。 第三阶段是从出现对角裂缝起直到破坏。 上述三个阶段砖墙的破坏特征在本次模拟中也 得到了进一步的验证。同时，模拟分析进一步表明， 砖墙裂缝及破坏的形式与结构的特点、门窗的尺寸 及位置等都有关系。 从墙体中的应力分布进一步分析以后，地震初 期结构中上部墙体的应力大于下部；进入主振周期 以后，结构底部墙体中的应力及应变均高于上部，主 要是由于地震波在墙体中向上传播的过程中，能量 很快被低层墙体吸收而衰减；表明多层框架结构在 受震过程中，下部墙体要比上部墙体更容易受到破 坏，这与文献[ 6 ] 模拟研究所得的结论一致。 2 ．3 结构的整体破坏 结构破坏过程如图4 所示，结合地震波形图，地 震的过程可大致分为3 个阶段在0 ～1 5s 时，地震动 强度相对较弱，结构所受到的破坏较轻，但局部已出 现了断裂；1 5 ～2 0s ，此时的震动非常强烈，结构的破 坏程度突然加剧，结构大部都受到了严重破坏，并出 现部分坍塌；2 0s 以后地震强度再次减弱，但由于结 构主体已遭受严重破坏，在地震的作用下结构的坍塌 过程继续并加快，具体破坏与坍塌过程如图4 所示。 一 图4 垂直荷载下结构的破坏过程 F i g ．4 S t r u c t u r e ’d i s t r u c t i o nu n d e rv e r t i c a ll o a d 万方数据 1 4 8爆破 2 0 1 4 年6 月 根据以往的研究结果，结构的破坏不仅与地震 波的特征有关，结构本身的特性也具有非常重要的 影响。为了进行对比分析，研究中也将相同特征水 平方向的地震荷载加载到该结构底部当中输入相 同特性的水平地震荷载时，下部立柱中的应力及变 形均要小于垂直地震荷载时的情形，而横梁的破坏 则正好相反；同样，水平地震荷载作用下的砖填充墙 的破坏程度相对垂直荷载时为轻。 本次模拟只是计算了结构在单向地震荷载作用 下的破坏过程，而实际的地震作用则更为复杂。所 以在实际地震作用下，结构破坏的严重程度均应比 上述两种情况时严重。 3 结论 本文选取钢筋混凝土框架结构在地震作用下破 坏及倒塌过程为研究对象，在总结前人研究成果的 基础上，选取合适的数值分析方法，结合新的计算模 型及数值计算处理技术，研究适合于空问钢筋混凝 土框架结构破坏及倒塌分析的理论模型；通过对数 值计算结果进行分析和处理，并结合实际地震中框 架结构的地震破坏的特点，对钢筋混凝土框架结构 在抗震安全及抗震设计提供参考。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ]刘晶波，谷音，牛惠敏，等．大空间砖一混凝土组合结 构弹塑性地震反应与计算倒塌研究[ J ] ．建筑结构学 报，2 0 0 7 3 7 8 - 8 3 ． L I UJ i n g - b o ，G UY i n ，N I UH u i m i n ，e ta 1 ．S t u d yo ne l a s t o p l a s t i cs e i s m i cr e s p o n s ea n dc o m p u t a t i o n a lc o l l a p s eo f l a r g e s p a c eb r i c k c o n c r e t ec o m p o s i t es t r u c t u r e s [ J ] ．J o u r n a lo fB u i l d i n gS t r u c t u r e s ，2 0 0 7 3 7 8 8 3 ． i nC h i n e s e 李爽，谢礼立，郝敏．地震动参数及结构整体破坏 相关性研究[ J ] ．哈尔滨工业大学学报，2 0 0 7 ，3 9 4 5 0 5 - 51 0 ． L IS h u a n g ，X I EL i L i ，H A OM i n ．C o r r e l a t i o nb e t w e e ns e i s m i cg r o u n dm o t i o np a r a m e t e r sa n dt h e i rr e l a t i o n s h i pw i t h o v e r a l ld a m a g et os t r u c t u r eJI ．J o u r n a lo fH a r b i nI n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y ，2 0 0 7 ，3 9 4 5 0 5 5 1 0 ． i nC h i n e s e 冯启民，焦双健，刘艳林．钢筋混凝土框架结构地震破 坏研究[ J ] ．地震工程与工程振动，2 0 0 2 ，2 2 3 5 1 - 5 5 ． F E N GQ i m i n ，J I A OS h u a n g j i a n ，L I UY a n l i n ．R e s e a r c h o nd a m a g et oR Cf r a m es u b j e c t e dt os e i s m i cl o a d i n g [ J ] ． E a r t h q u a k eE n g i n e e r i n g A n d E n g i n e e r i n gV i b r a t i o n ， 2 0 0 2 ，2 2 3 5 1 - 5 5 ． i nC h i n e s e 黄庆华．地震作用下钢筋混凝土框架结构空间倒塌反 应分析[ D ] ．上海同济大学博士学位论文，2 0 0 6 ． H U A N GQ i n g h u a ．C o l l a p s ea n a l y s i so fr e i n f o r c e dc o n c r e t R C f r a m es t r u c t u r e su n d e re a r t h q u a k e [ D ] ．S h a n g h m T o n g j iU n i v e r s i t yP h Dt h e s i s ，2 0 0 6 ． i nC h i n e s e 李宏男．结构多维抗震理论与设计方法[ M ] ．北京科 学出版社，1 9 9 8 ． W UC h e n g q i n g ，H A OH o n g ，L UY o n g ．D y n a m i cr e s p o n s e a n dd a m a g ea n a l y s i so fm a s o n r ys t r u c t u r e sa n dm a s o n r y i n f i l l e dR Cf r a m e st ob l a s tg r o u n dm o t i o n [ J ] ．E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s ，2 0 0 5 2 7 3 2 3 3 3 3 ． 科技论文写作小知识摘要 摘要是以提供文献内容梗概为目的，不加评论和补充解释，简明、确切地记述文献重要内容的短文。摘要应具有独立性和 自明性，并且拥有与文献同等量的主要信息，即不阅读全文，就能获得必要的信息。一篇完整的论文都要求写随文摘要，按摘要 的不同功能来划分，大致有如下3 种类型 1 报道性摘要 报道性摘要是指明一次文献的主题范围及内容梗概的简明摘要，相当于简介。报道性摘要一般用来反映科技论文的目的、 方法及主要结果与结论，在有限的字数内向读者提供尽可能多的定性或定量的信息，充分反映该研究的创新之处。科技论文如 果没有创新内容，如果没有经得起检验的与众不同的方法或结论，是不会引起读者的阅读兴趣的，所以建议学术性期刊 或论 文集 多选用报道性摘要，用比其他类摘要字数稍多的篇幅，向读者介绍论文的主要内容，以“摘录要点”的形式报道出作者的 主要研究成果和比较完整的定量及定性的信息，篇幅以3 0 0 字左右为宜。 2 指示性摘要 指示性摘要是指明一次文献的论题及取得的成果的性质和水平的摘要，其目的是使读者对该研究的主要内容 即作者做 了什么工作 有一个轮廓性的了解。创新内容较少的论文，其摘要可写成指示性摘要，一般适用于学术性期刊的简报、问题讨 论等栏目以及技术性期刊等只概括地介绍论文的论题，使读者对论文的主要内容有大致的了解，篇幅以1 0 0 字左右为宜。 3 报道．指示性摘要 报道一指示性摘要是以报道性摘要的形式表述论文中价值最高的那部分内容，其余部分则以指示性摘要形式表达，篇幅 以1 0 0 ～2 0 0 字为宜。 论文发表的最终目的是要被人利用，如果摘要写得不好，在当今信息激增的时代论文进入文摘、杂志、检索数据库后，被 人阅读、引用的机会就会少得多，甚至丧失，一篇论文价值很高，创新内容很多，若写成指示性摘要，也可能会失去较多的读 者。所以一般地说，向学术性期刊投稿，应选用报道性摘要形式，只有创新内容较少的论文，其摘要可写成报道一指示性或指 示性摘要。 ] J 1 』] j 1 J 1 J ] J 1 J 1j]J l 二 心 心 口 b M H 瞪 № 万方数据