陆新征-曲哲塑性铰模型

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清华大学陆新征-曲哲共同开发了一个塑性铰滞回模型如下图1所示:

图1 陆新征-曲哲模型参数含义

1 陆新征-曲哲模型参数含义

该模型的主要特点包括:

(1)    可以考虑构件的屈服、强化、软化特性。这些特性分别由:初始屈服弯矩My0,极限强度和屈服强度的比值a,强化参数h和软化参数hsoft4个参数控制。

(2)    可以考虑构件的滑移捏拢特性。该特性由滑移捏拢参数g控制。g越接近0,滑移捏拢越严重,g=1.0,无滑移捏拢现象。

(3)    可以考虑构件在往复加载下的损伤累计特性。该特性由损伤累计耗能参数C控制。C =∞,则相当于不考虑累计耗能损伤。

(4)    可以考虑正向、反向屈服强度不同特性。该特性由结构负向屈服弯矩和正向屈服弯矩之比b确定,b=1.0表示正向和负向屈服弯矩相同。

因此,在陆新征-曲哲模型中,一共需要定义8个参数

(1)    初始刚度K0

(2)    正向屈服强度My

(3)    强化模量参数h

(4)    损伤累计耗能参数C

(1) 滑移捏拢参数  g

(2) 软化参数hsoft

(3) 极限强度和屈服强度的比值a

(4) 负向屈服弯矩和正向屈服弯矩之比b

通过调整陆新征-曲哲模型中的系数(强化模量h,损伤累计耗能参数C,滑移捏拢参数g,软化参数hsoft,极限强度参数a,正负向强度比参数b)的取值,就可以模拟多种不同的滞回模型。例如,取损伤累计耗能参数C =∞,则相当于不考虑累计耗能损伤;滑移捏拢参数g=1.0,相当于不考虑滑移捏拢效应;取极限强度参数a=∞,则相当于不考虑软化行为。由陆新征-曲哲模型计算得到的部分典型滞回关系如2所示。

图2 陆新征-曲哲模型不同参数得到的滞回曲线形状   图2 陆新征-曲哲模型不同参数得到的滞回曲线形状

图2 陆新征-曲哲模型不同参数得到的滞回曲线形状    图2 陆新征-曲哲模型不同参数得到的滞回曲线形状

与弯曲破坏剪力墙试验比较

与弯曲破坏剪力墙试验比较

与剪切破坏钢筋混凝土试件比较

与剪切破坏钢筋混凝土梁比较

与钢筋混凝土压弯试验柱比较(弯曲破坏)

与钢筋混凝土压弯试验柱比较(弯曲破坏)

与钢筋混凝土压弯试验柱比较(剪切破坏)

与钢筋混凝土压弯试验柱比较(剪切破坏)

与平齐式半刚性钢结构节点试验比较

与平齐式半刚性钢结构节点试验JD-1比较
(试验数据来源:施刚、石永久、李少甫、王元清,多层钢框架半刚性端板连接的循环荷载试验研究,建筑结构学报,2005,25(2): 74-80,感谢施刚博士提供试验原始资料)

与外伸式半刚性钢结构节点试验JD-3比较

与外伸式半刚性钢结构节点试验JD-3比较
(试验数据来源:施刚、石永久、李少甫、王元清,多层钢框架半刚性端板连接的循环荷载试验研究,建筑结构学报,2005,25(2): 74-80,感谢施刚博士提供试验原始资料)

与外伸式半刚性钢结构节点试验JD-6比较

与外伸式半刚性钢结构节点试验JD-6比较
(试验数据来源:施刚、石永久、李少甫、王元清,多层钢框架半刚性端板连接的循环荷载试验研究,建筑结构学报,2005,25(2): 74-80,感谢施刚博士提供试验原始资料)

2 陆新征-曲哲模型不同参数得到的滞回曲线形状

通过MSC.MARCUBEAM程序,可以将陆新征-曲哲模型嵌入到MSC.MARC程序中,得到陆新征-曲哲模型塑性铰程序。陆新征-曲哲模型塑性铰程序的主要注意事项:

(1)    使用MSC.MARC 98号梁单元;

(2)    建立Matcode.txt数据文件,输入塑性铰信息。参考SAP2000的做法,每个内力份量输入一个行塑性铰,从上到下分别是N, Vx, Vy, Mx, My, T。如果需要考虑该内力份量的非线性,则需输入所有的8个参数(初始刚度K0,屈服强度My,强化模量h和损伤累计耗能参数C,滑移捏拢参数g,软化参数hsoft,极限强度参数a,正负向强度比参数b),否则只需输入K0,后面留空,程序自动按弹性处理。

如所附算例中,只需考虑梁局部坐标系y方向的塑性铰,则对应的Matcode输入为:

输入内容

含义

! 截面01,梁

3.00D+09,

1.00d+15,

1.00d+15,

5.00E+12,

3.49E+13,1.0e8,0.02,1000,0.8, -0.01, 1.05,1.0

3.99E+13

1行,注释

2行,N

3行,Vx

4行,Vy

5行,Mx

6行,My

7行,T

(3)    在前处理中,选择User Defined Var #1~6,分别对应于N, Vx, Vy, Mx, My, T的塑性铰标识。

例如,对所附算例输入以下柱铰和梁铰参数,

梁的塑性铰参数为:3.49E+13,1.0e8,0.02,1000,0.8, -0.02, 1.05,1.0

柱的塑性铰参数为:2.33E+13,1.6e8,0.10,100,0.2, -0.05, 1.05,1.0

进行Kobe波下的时程分析,得到柱脚弯矩曲率关系,梁铰弯矩曲率关系以及结构顶点位移-时程关系如图3~5所示,塑性铰分布如图6所示:

图3 柱脚弯矩曲率关系

3 柱脚弯矩曲率关系

图4 梁铰弯矩曲率关系

4 梁铰弯矩曲率关系

图5 顶点位移时程关系

5 顶点位移时程关系

图6 塑性铰分布

6 塑性铰分布

附录:框架建模过程

两层混凝土框架,柱子间距为x方向5mY方向4m,层高3m

梁:截面尺寸0.2×0.5mMy= 1.0E8,其他内力分量保持弹性

柱:截面尺寸0.3×0.4mMy= 1.6E8,其他内力分量保持弹性。。

THUFIBER程序使用时,用户需要输入以下两类信息:

(1)构件的截面几何信息和局部坐标系信息,这部分通过MSC.MARC自带的前处理界面实现,其中最重要的信息有三个:截面面积、材料密度和截面x轴的方向。程序将根据前两条信息计算得到构件的质量。根据截面x轴方向计算其强轴和弱轴行为。

(2)构件截面塑性铰信息,这部分存放在matcode.txt文件中。

下面介绍具体建模步骤:

(1)MSC.MARC程序和多种CAD软件有着良好的接口,以广泛使用的AutoCAD程序为例,在AutoCAD中建立结构的轴线模型如图7所示。将模型文件输出为dxf格式。

图7在AutoCAD中建立空间模型

7AutoCAD中建立空间模型

(2)MSC.MARC的前处理程序MENTAT中,选择底部的静态菜单FILE->IMPORT,选择输入DXF格式,选择相应文件,读入刚才的CAD模型,并用底部静态菜单做适当旋转,结果如图8所示。

图8 将AutoCAD模型导入MARC

8 AutoCAD模型导入MARC

(3)目前在有限元程序中读入的模型还是几何信息,需要将其转化为有限元信息。进入MARC的主菜单MESH GENERATION,选择CONVERT,将DIVISIONS设置为5,5,即每个线段划分成5个单元。选择CURVERS TO ELEMENTS,选择ALL: EXIST,得到单元和节点分布如图9所示。

图9 将单元细分

9 将单元细分

(4) 回到主菜单MAIN MENU->MESH GENERATION,选择SWEEP按钮,选择ALL,清理不必要的节点和单元信息(图10)。

图 10 清理重复元素

10 清理重复元素

(5)下面给模型输入材料信息。第一种材料为梁,需要说明的是,MARC的材料信息编号对应于截面编号,所以必须严格逐个输入。输入材料名称为Beam,材料类型为HYPOELASTIC->USER SUB. UBEAM,即这个材料是用户自定义的。输入材料的密度为5000,即相当于将部分楼板重量折算到梁上面(图11)。

图11 定义梁材料信息

11 定义梁材料信息

(6)选择ELEMENTS->ADD,选取相应的梁单元,将材料信息赋予之。

(7)再建立一个材料,名称为Column,类型还是HYPOELASTIC->USER SUB. UBEAM,只是密度为2500。同样再选择ELEMENTS->ADD,选取相应的柱子单元,赋予材料信息。最后得到相应的材料信息如图12

图12 定义柱子材料信息

12 定义柱子材料信息

(8)下面要赋予几何信息。这部分工作比较复杂,关键牵涉到单元局部坐标系的问题。选择主菜单MAIN MENU-> GEOMETRIC PROPERTIES,建立新几何信息名称为Beam,类型为3-D->ELASTIC BEAM,输入截面的截面积和对应于局部坐标系x轴,局部坐标系y轴的转动惯量。并输入局部坐标系x轴对应整体坐标系的矢量方向。对于本问题而言,取梁单元的局部坐标系x轴为垂直向上,与整体坐标系的z轴平行,所以局部坐标系x轴的矢量方向为(0 0 1)(图13)。

图13 定义梁截面几何信息

13 定义梁截面几何信息

(9)将刚才输入的梁截面信息添加给所有的梁单元,选择ELEMENTS-> ADD,选取相应单元。

(10)类似的,建立新的几何信息,名称为Column,类型为3-D->ELASTIC BEAM,输入截面的几何信息如图14。这时取柱子的局部坐标系x轴方向和整体坐标系x轴方向相同,所以其局部坐标系x轴的矢量方向为(1 0 0),选择ELEMENTS-> ADD,将几何信息添加给相应的单元。

图14 定义柱子截面几何信息

14 定义柱子截面几何信息

(11) 其他包括输入荷载,定义工况等,与一般MSC.MARC相同。

(12) 最后编写matcode.txt文件,输入相应的截面塑性铰信息

Matcode.txt文件内容

内容

说明

2

1行,定义一共有几个截面,这个模型里面一共有2个截面:1:梁。2:柱子

! 截面01,梁

3.00D+09,

1.00d+15,

1.00d+15,

5.00E+12,

3.49E+13,1.0e8,0.02,1000,0.8, -0.01, 1.05,1.0

3.99E+13

逐个输入截面信息,第1行,注释

2行,N

3行,Vx

4行,Vy

5行,Mx

6行,My

7行,T

! 截面02,柱

3.60E+09,

1.00d+15,

1.00d+15,

1.35E+13,

2.33E+13,1.6e8,0.10,50,0.2, -0.05, 1.05,1.0

3.58E+13

逐个输入截面信息,第1行,注释

2行,N

3行,Vx

4行,Vy

5行,Mx

6行,My

7行,T

主要参考文献和程序:

[1]      THUFIBER http://www.luxinzheng.net/research/THUFIBER.html

[2]      IDARC http://civil.eng.buffalo.edu/idarc2d50/

[3]      DRAIN-2D http://nisee.berkeley.edu/elibrary/getpkg?id=DRAIN2DX

[4]      Ibarra LF, Krawinkler H. (2006). Global Collapse of Frame Structures under Seismic Excitations, PEER Report 2006/06, Page 29-42.

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