1、建筑结构非线性时程分析摘要：非线性时程分析是目前模拟建筑结构罕遇地震性能最准确、最完善的方法，受理论水平和硬件条件所限，早期的非线性时程分析多采用了过多的简化，有悖于准确模拟的初衷。在对当前国内外非线性时程分析技术研究前沿了解的基础上，对该技术最新进展进行介绍，并重点介绍非线性骨架曲线、剪力墙模拟、软件应用、计算收敛加速问题的最新应用情况。 关键词：非线性时程分析； 构件骨架曲线； 剪力墙 Abstract: nonlinear time-history analysis method is currently building structures under earthquake perf
2、ormance the most accurate, the most perfect, limited to the theoretical level and the hardware conditions, process analysis of early nonlinear multiple eases the excessive use, with the accurate simulation of the original. Based on the nonlinear time-history analysis research in frontier technology
3、on the knowledge, the introduction of the new progress of the technology, and introduces the latest application of nonlinear skeleton curves, shear wall model, software applications, convergence acceleration problem. Keywords: nonlinear time-history analysis; component skeleton curve; shear wall 中图分
4、类号： F045.33 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013） 0 前言 现代结构设计的发展对结构分析提出了更高的要求，随着计算技术的提高，更加精确的模拟真实结构成为越来越迫切的课题和要求。在结构地震分析方法中，非线性时程分析是目前模拟建筑结构罕遇地震性能最准确、最完善的方法。受理论水平和硬件条件所限，早期的非线性时程分析多采用了过多的简化，有悖于准确模拟的初衷;现在随着计算技术和硬件水平的发展和提高，进行更加精确的非线性时程分析成为可能。目前非线性时程分析技术所面临的主要问题为:钢筋混凝土模拟、剪力墙模拟、非线性滞回模型的选取、计算加速及结果评价。在对当前国内外非线性时程分
5、析技术研究、运用前沿广泛了解的基础上，从工程结构设计的角度，对该技术最新进展进行介绍，并重点介绍非线性骨架曲线、剪力墙模拟、软件应用、计算收敛加速问题的最新研究应用情况。 1 混凝土的本构关系 混凝土的本构模型极其复杂。经过多年的试验和理论研究，各国学者以不同理论为基础来研究混凝土的本构关系，提出了多种多样的本构模型，为混凝土构件的结构设计计算和有限元弹塑性分析带来可能。但到目前为止，尚未获得大多数学者公认比较满意的本构模型。 已有的各类模型各有优缺点，弹性模型简单但只适合单调加载;经典塑性模型数学上较严格但与混凝土材料破坏机理不协调，塑性势函数难以确定;内时模型摆脱了屈服面的约束，在实际问题
6、的计算中能用一个统一的公式描述全过程，但如何确定反映物质响应的积分核函数及物质所特有的内蕴时间等目前还不成熟;损伤模型物理含义清晰但损伤变量的定义与损伤演化方程的确定等都难以确定，应用时需要简化。 物理意义明确、具有较少易确定参数的简单实用模型是结构工程师所需要的，对损伤模型的进一步深人研究和简化应用似乎是结构分析的发展希望。 2 剪力墙模拟 钢筋混凝土剪力墙弹塑性分析方法可以分为微观方法和宏观方法。宏观方法又可以分为基于楼层层面或基于构件层面的分析方法。基于楼层层面的宏观分析方法较为粗糙，实现方便但失之精度和深度;基于构件层面的宏观分析方法多是将剪力墙等代为杆件系统，理论基础需要详细论证;微
7、观方法直接模拟混凝土和钢筋，在材料本构关系准确的前提下具有很好的精度但计算工作量巨大，从长远来看，应该是今后的发展方向。在目前的计算硬件条件下，工程师可以根据求解问题的具体要求来选择三种微观分析模型:整体式、组合式、分离式。整体式模型可采用各种平面单元或实体单元，把单元视为连续均匀材料，通过调整单元的材料、力学性能参数来体现钢筋的作用(对于弹塑性分析，应通过细部分析来确定宏观单元的弹塑性特征)，可以处理大体量问题但精度不足。分离式模型将钢筋和混凝土各自划分成细小单元，通过连接单元来反映混凝土和钢筋之间的粘接滑移性能，对于体量较小的结构可以较深人的模拟钢筋混凝土性能。组合式模型介于整体式和分离式
8、模型之间，采用分层组合式或复合单元模拟钢筋混凝土。 3 恢复力模型 3. 1 目前常用的基本恢复力模型 (1)Bi-linear 模型:考虑钢材包辛格效应和应变硬化。 (2)退化双线性模型( Clough 模型):考虑加载时刚度退化修正后的模型。 (3)Takeda 模型:考虑卸载过程中的刚度退化，是目前钢筋混凝土结构弹塑性地震反应分析中应用最广泛的模型。 (4)混凝土弹塑性损伤模型:由 Lublinert 和 Lee 等人提出的，这一模型和壳元结合可用来描述剪力墙单元的弹塑性模型。 3. 2 现存恢复力模型中存在的主要问题 (1)适用性问题:上述模型的建立大都是基于某些特定构件和在某些特定受
9、力状态下进行的试验和研究成果，因此在实际工程中存在较多局限性。有的模型只适用于单纯受弯构件，不能考虑粘结滑移、轴压比大、剪切变形等影响因素，有的没有考虑再加载时的强度退化，有的忽略结构大变形过程中可能出现的负刚度现象。 (2)对各种变形成分的合理模拟:钢筋混凝土构件总的弹塑性变形主要是关键受力区域的弯曲变形、剪切变形以及纵向受力钢筋的粘结滑移所产生的变形组成。上述三种成分所占的比例随结构、构件受力特征的变化而变化，现有模型对弯曲变形模拟较为准确，对其它两种变形则有待于进一步研究。 (3)多向地震输人下恢复力模型有待于进一步研究:大多数恢复力曲线都只能描述结构在单向单轴输人下的地震反应，但实际结
10、构的地震输人是多向的，构件在多向地震作用下的恢复力特性已经不能用简单的曲线描述，而必须建立恢复力的空间曲面关系。目前国内外地震工程界关于混凝土构件多轴加载下恢复力模型的研究还很少，应用也多采用单轴简化恢复力模型。 4 分析软件可以进行弹塑性时程分析的软件很多，例如ABAQUS，LS_DYNA，ANSYS，SAP2000，ADINA，CANNY 等。 ABAQUS 的 Explicit 模块能够较好地模拟钢筋混凝土结构，软件提供三种表征混凝土材料的模型，即带裂缝混凝土模型、混凝土塑性损伤模型和脆性开裂模型。这三种材料模型都可用于混凝土结构单元(如梁单元、壳单元、实体单元等)，且可同时用来描述钢筋
11、混凝土和素混凝土构件的材料特性。 LS_ DYNA 主要用于材料非线性、几何非线性和接触非线性的分析。常用的单元形式有 Solid164 单元和 She11163 单元，可用于程序剪力墙建模分析，它的材料模型主要包括线弹性模型、非线性一弹性模型、非线性一非弹性模型、受压影响的塑性模型等。其中似乎并没有十分明确的混凝土材料模型，但是在什么清况下用什么材料模型，与分析者所关心的问题相关，分析者可以根据其分析目标通过选定合理的材料模型且给定合适的参数可以获得较接近的材料模型。 ADINA 程序中的混凝土本构模型提供了一个相对比较简单而且数值稳定的模型，能反映出实验观测到的刚度、强度等特性。在描述材料
12、特性方面，具有如下基本特点:1)在增加压缩应力时，允许材料的非线性软化;2)可以模拟材料开裂和压碎以后的特性;3)定义了拉坏及压碎的破坏包络。混凝土总的多轴应力一应变曲线关系是以单轴应力一应变关系曲线引伸出来的。 5 结语 针对实际复杂结构进行弹塑性时程分析对工程师来说是较高的要求，合理的简化模型和计算参数、实现分析并结合结构概念进行结构设计是摆在工程师面前的现实课题。 参考文献 1李杰，李国强.地震工程学导论M.北京:地震出版社，1992. 2冯仲齐，梅占馨.框架一剪力墙结构分析的高精度平面单元J.应用力学学报，1998. 3汪梦甫，周锡元.高层建筑结构抗震弹塑性分析方法及抗震性能评估的研究J.土木工程学报，2003: 4郭子雄，吕西林.高轴压比下 RC 框架柱恢复力模型试验研究J.土木工程学报，2004,:. 5周岑，孙利民.钢筋混凝上结构弹塑性分析在 ANSYS 中的实现M.同济大学.
