基于ABAQUS震损钢筋混凝土柱剩余能力的研究

基于ABAQUS震损钢筋混凝土柱剩余能力的研究

马长龙

重庆交通大学  土木工程学院  重庆  400074

摘要：本文抗震设计概念，从桥梁的破坏状态出发，分析了桥梁的破坏准则。将桥梁结构的损伤状态分为五个：基本完好、轻微损伤、中等损伤、严重损伤、极度损伤，同时对各个损伤状态进行定量和定性的描述。随后通过对ABAQUS中混凝土损伤参数的研究，得出针对规范给出的本构关系相对应的损伤参数计算公式。

关键词：损伤指标；抗震；损伤状态；损伤因子；

引  言

地震是危害人类生命财产安全最严重的突发式自然灾害之一。2008年汶川地震使大量的建筑结构遭到破坏甚至倒塌，造成了巨大的经济损失和人员伤亡[1]。因此对既有建筑物进行评估，了解在地震作用下的相应特性可有效减轻地震灾害。中国地处世界两大地震带即环太平洋地震带与欧亚地震带之间，大部分地区为地震区，特别是华北地区和西部地区多为强震区，地震活动频繁[2]。桥梁是交通生命线的枢纽工程，其建设成本高，一旦遭到地震破坏，将会导致巨大的经济损失，且震后修复极其困难。国内外学者对钢筋棍凝土架柱的恢复力特性、恢复力计算模型、抗弯强度、抗剪强度、变形能力、延性系数等，都进行了系统的研究[3]。

本文将会选择 ABAQUS 有限元软件对于 ABAQUS 软件对于混凝土材料进行非线性数值模拟。

1 桥梁在地震作用下的破坏

桥梁在地震作用下会遭受到不同程度的损坏，破坏形式也不尽相同。例如，桥台桥面的开裂，桥墩倾斜以及支座破坏等等。根据地震现场桥梁的破坏情况来看，可以将桥梁的破坏类型大致分为以下三种：支座的破坏以及上部结构和下部结构的破坏[4]。

1.1 支座破坏

支座是桥梁中最容易发生破坏的构件。支座脱空是目前支座安装存在最普遍和严重的质量问题之一。单一支座脱空将造成其他支座受力过大，影响支座的耐久性[5]。

1.2 上部结构的破坏

桥梁上部结构的破坏主要是指主梁破坏。在地震作用下，主梁自身发生破坏的情况较少，大部分时候是因为是上下部结构之间连接构件或者下部结构失效等原因导致上部结构发生破坏[6]。

1.3 下部结构破坏

桥墩震害桥墩是支撑桥梁上部结构的主要构件，其震害形式一般可分为弯曲破坏、弯剪破坏及剪切破坏等三种。

2 桥梁破坏准则

根据国内外学者研究，结构破坏准则大致可归纳为以下五种破坏准则：强度破坏，变形破坏、能量破坏、基于变形和能量的综合指标破坏准则、基于性能的破坏准则等。本文仅对变形和能量双重破坏准则进行介绍。

近几十年来最为成熟的震损结构损伤评估模型为Park等提出的考虑变形和滞回耗能的双参数模型（简称Park-Ang模型）[7]如式2-1所示：

3 ABAQUS中CDP模型

在ABAQUS中对所建立的钢筋混凝土柱模型进行滞回曲线输出时，必须先定义混凝土损伤本构关系。ABAQUS环境栏Property内采用的混凝土损伤塑性模型（CDP）是一种以塑性为基础，具有连续性的损伤模型，其基本假定是各向同性的受压和受拉导致了材料的损伤开裂破坏。

3.1塑性损伤因子的计算方法

ABAQUS软件的用户手册对混凝土塑性损伤模型的基本理论及相关参数进行了详细的介绍，但对模型中塑性损伤因子的取值未做明确规定，然而数值分析结果的准确性与塑性损伤因子的取值密切相关[8]。

3.2 基于GB 50010－2010规范的实用法

我国现行GB 50010－2010《混凝土结构设计规范》( 以下简称“10 混规”) 中混凝土单轴应力应变曲线[9]。单轴受压曲线方程如式( 3-1)

单轴受拉曲线方程如（3-5）

其中取值可按“10混规”中的方法计算，式中用参数表示混凝土塑性损伤因子。为将“10混规”中的损伤演化参数用于ABAQUS中CDP模型，需建立“10混规”中损伤演化参数与CDP模型塑性损伤因子之间的关系。

根据能量等效假设，材料的应力应变关系可表示为:

根据应变等效假设可得式（3-7）

材料的应力应变关系可以表示为式（3-5）

材料的应力应变关系可以表示为式（3-6）

由式(3-3)、式(3-4)与式(3-6) 的对比分析可知，“10混规”提出的单轴受力本构模型中的损伤演化参数D是基于应变等效假设的弹性损伤参数，不同于CDP模型中的塑性损伤因子d。

对比分析能量等效假设与应变等效假设，发现有如下关系见式

因此“10混规”提出的单轴受力本构模型中的损伤演化参数不能直接用于CDP模型，将其按式（3-7）转换为塑性损伤因子之后，可用于ABAQUS中CDP模型。

结 语

地震中桥梁的破坏往往是桥墩破坏为主。根据国内外桥梁抗震数据。总结出不同损伤状态所对应的损伤指标范围。同时,本文研究了ABAQUS中混凝土本构关系对应损伤参数的计算方法。通过“10混规”得到可用于ABAQUS中CDP模型的混凝土损伤参数。通过损伤参数和结构破会状态的研究，可以初步得到地震后桥梁是否能够继续工作。

参考文献

[1]周小龙. 震损钢筋混凝土框架结构抗震性能评估方法研究[D].重庆大学,2014.

[2]王克海.桥梁抗震研究[M].北京：中国铁道出版社，2014

Wang Kehai. Seismic research of bridges [M]. Beijing: China Railway Publishing House, 2014

[3]朱四虎.基于改进Park-Ang模型的RC框架结构地震损伤性能评估[D].长安大学，2019

Zhu Sihu. Seismic damage performance evaluation of RC frame structures based on improved Park ang model [D]. Chang'an University, 2019

[4]张战廷，刘宇锋．ABAQUS 中的混凝土塑性损伤模型[J]．建筑结构，2011.8

[5]卢怡思，张耀庭．基于 ABAQUS 的钢筋混凝土柱非线性有限元分析[A]．中国力学学会工程力学编辑部，第 22 届全国结构工程学术会议论文集第Ⅱ册[C]，2013.8

[6]王传甲，陈志强，王庆扬．通用有限元软件 ABAQUS 在东丽弹塑性时程分析中的应用[J]．建筑结构，2006.6

[7]Park Y J, Ang A H, Wen Y K. Damage-limiting aseismic design of buildings [J]. Earthquake Spectra, 1987, 3(1): 1- 26.

[8]秦浩,赵宪忠. ABAQUS混凝土损伤因子取值方法研究[J]. 结构工程师,2013,29(06):27-32.

[9]GB 50010－2010 混凝土结构设计规范［S］．