浅谈结构弹塑性分析中的混凝土构件模型

夏 宇

(中国建筑西南设计研究院有限公司，四川成都610041)

1 结构弹塑性分析概述

随着社会的进步，科技的发展，城市中建筑物的高度、复杂程度也随着提升。在建筑结构的设计过程中，越来越多的项目需要进行结构弹塑性分析。结构弹塑性分析目前主要有两种：静力弹塑性分析和动力弹塑性时程分析。其中动力弹塑性时程分析是最为先进也是运用最多的结构弹塑性分析方法。

在结构弹塑性分析的过程中，能量的输入(水平侧力、地震波)、结构的模拟(结构整体计算模型、结构构件的模拟)、计算方法等等都会对结构弹塑性分析的结果造成影响，而目前这些问题尚未得到完美解决。故而结构弹塑性分析的目的不是进行精确的结构分析计算，而是帮助结构工程师发现结构是否存在承载力、刚度等方面的薄弱部位，了解结构在中震及大震作用下的损伤程度以及层间位移角指标等等，以便判别结构是否达到预期的结构抗震性能设计目标。

结构弹塑性分析的过程，其实也是一个能量分析的过程。地震的能量转化为结构的动能、应变能、阻尼能、非线性耗能等。在同样的结构弹塑性分析条件下(能量输入、结构计算模型、计算方法等相同)，选择不同的构件模型(材料本构模型、构件恢复力模型)，也就选择了不同的构件耗能能力(主要针对非线性耗能)，将会得到不同的结构弹塑性分析结果，尤其是大震作用下的结构构件耗能及损伤情况将会不同，这对判别结构是否满足预期的结构抗震性能设计目标至关重要。

2 弹塑性分析中混凝土构件模型概述

2.1 框架结构的构件模型

目前各结构弹塑性分析软件采用的杆系构件恢复力模型主要有两种：基于截面的塑性铰模型和基于材料的纤维素模型，其中运用最多的是塑性铰模型。理论上讲，从塑性铰模型到纤维素模型的发展，是从宏观构件到微观材料的发展，模型精细化程度得到提高，模型的适应性、精确性也得到了提高。但是由于钢筋混凝土结构自身行为的复杂性(强度退化、刚度退化、剪切捏拢、钢筋粘结滑移等)，两种恢复力模型孰优孰劣目前尚未有定论，故而应结合实际情况进行选择。在过去的40年中，国内外对各种结构的塑性铰恢复力模型进行了研究，提出了各种各样的塑性铰模型，如图1及表1所示。

对于材料的本构关系，主要是混凝土和钢筋。其中混凝土包括：约束混凝土模型和非约束混凝土模型；钢筋包括：考虑钢筋压屈的模型和不考虑钢筋压屈的模型。所有材料本构关系模型的模拟线型分为曲线型、折线型和混合型模型。

图1 恢复力模型分类

续表1

2.2 剪力墙结构的构件模型

目前各结构弹塑性分析软件采用的面构件模型主要有两种：分层壳模型和纤维素模型，两者均是基于材料本构关系的模型。剪力墙的分层壳模型原理示意如图2所示；纤维素模型原理示意如图3所示。

图2 分层壳模型示意

图3 纤维素模型示意

3 某框架结构例子

为了简要说明不同构件模型对结构弹塑性分析的影响，采用PERFORM-3D软件建立一个三层框架结构，混凝土强度等级为C30，钢筋等级为三级，框架梁尺寸为300 mm×500 mm，框架柱尺寸为500 mm×500 mm。

其中框架柱均采用纤维素模型，而框架梁的恢复力模型分别采用纤维素模型(以下简称模型一)和塑性铰模型(以下简称模型二)进行分析，两者的动力弹塑性时程分析结果如图4～图8所示(其结构构件损伤程度级别是IO：立即居住)。

图4 模型一中某框架梁滞回曲线

图5 模型二中某框架梁滞回曲线

图6 模型一中结构构件损伤程度

图7 模型二中结构构件损伤程度

图8 构件损伤程度图例

从两者的框架梁滞回曲线可以看出，塑性铰模型的耗能能力要优于纤维素模型，导致大震下构件损伤情况有所不同,与模型一相比，模型二的框架梁损伤较严重，框架柱损伤较轻。可想而知，对于复杂的超高层建筑结构，选择不同结构构件模型对结构弹塑性分析结果的影响将会更大。

4 结论和建议

(1)材料的本构关系模型应尽量按照结构的实际情况来选择(比如柱中被箍筋包裹的核心区混凝土应采用约束混凝土本构模型)，且本构关系模型宜选用曲线型的本构模型以便准确地反映其耗能能力。

(2)框架梁的恢复力模型可以选择塑性铰模型或者纤维素模型。当选择塑性铰的恢复力模型时，宜采用三折线或四折线模型，宜考虑构件的强度退化、刚度退化以及剪切捏拢效应。其中各个折点位置的取值大小(开裂弯矩、屈服弯矩、极限弯矩等)宜通过有限元构件计算软件(如：XTRACT、SAP2000的截面设计器等)计算求得。

(3)框架柱的恢复力模型以纤维素模型为宜，因为纤维素模型可以比塑性铰模型更好地考虑构件的轴力-弯矩耦合滞回行为。

(4)剪力墙构件可以选择分层壳模型或纤维素模型。其中分层壳模型更加细致，其计算工作量较大，计算时间较长。

(5)对于复杂的建筑结构，宜采用两种以上软件，选择不同的构件恢复力模型分别进行计算，以便对比分析。

[1] 吕西林.超限高层建筑工程抗震设计指南[M].2版.同济大学出版社，2009

[2] 王飞娅.塑性铰滞回模型衰变特性对RC框架结构刚度的影响研究[D].长沙理工大学，2011

[3] 陆新征.建筑抗震弹塑性分析[M].中国建筑工业出版社，2009

[4] GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S]

[5] JGJ3-2002 高层建筑混凝土结构技术规程[S]