基于abaqus的柱轴压比分析比较

1
表 1 柱轴压比限值
结构体系
框架结构 框-剪结构、简体结构
部分框支剪力墙
抗震等级
一
二
三
0.70
0.80
0.90
0.75
0.85
0.95
0.60
0.70
-
3. 有限元数值模拟实验分析 用 Abaqus 有限元分析软件模拟对钢筋混凝土框架柱进行低周位移加载，分析
在不同轴压比情况下其耗能滞回曲线，研究其延性的变化趋势。 3.1. 试验构件描述
4. 结论 ................................................................................................9 参考文献 ...........................................................................................10
轴 压 比
耗能滞回曲线
耗能值 （J）
0.3
7917.593
0.4
8369.075
0.5
8597.428
7
0.6
8350.131
7013.913
（第 40
0.7
步时刚
度退化
严重）
5972.470
（第 37
0.8
步时刚
度退化
严重）
-8-
5092.691
（第 35
0.9
步时刚
度退化
严重）
不同轴压比条件下的滞回曲线耗能值变化图：
耗能值/J
Hale Waihona Puke 100009000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
轴压比
4. 结论 1、钢筋混凝土框架柱，轴压比不超过 0.6 的情况下，轴压比的提高有利于结构抗 侧力能力的提高；轴压比超过 0.6 时，这种提高变得很小。 2、钢筋混凝土框架柱，当轴压比在 0.3~0.6 之间变化时，耗能滞回曲线的变化很 小，当超过 0.6 时，耗能滞回曲线包围面积有了较大的减小，因而过大的轴压比， 会降低钢筋混凝土框架柱的耗能能力。 3、建议在抗震地区其轴压比不大于 0.6，这样就可以保证钢筋混凝土框架柱的极 限承载力得到一定程度提高的同时，其位移延性不会降低太多。
摘要：轴压比是影响钢筋混凝土框架结构受力性能的重要因素，本文主要研 究了这种因数对框架柱的力学性能的影响。通过用 Abaqus 有限元分析软件模拟低 周位移加载，分析在不用轴压比条件下钢筋混凝土框架柱的耗能性能。通过研究， 本文建议在地震区钢筋混凝土框架柱的轴压比不大于 0.6，这样就可以保证钢筋混 凝土框架柱的极限承载力得到一定程度提高的同时，其延性不会降低太多。
关 键 词 ：钢 筋 混 凝 土 框 架 柱 ；位 移 加 载 ；材 料 非 线 性 ；耗 能 滞 回 曲 线 ；Abaqus
目录
1. 前言 ................................................................................................1 2. 柱轴压比定义 ................................................................................1 3. 有限元数值模拟实验分析 .............................................................2
3.3. 试验加载过程 竖向：在柱顶施加不同的轴向压力，模拟不同轴压比情况。
轴压比分别为 0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9。 横向：在柱顶施加横向水平位移，位移变化如图 3 所示。
水平位移D
0.06 0.04 0.02
0 -0.02 0 -0.04 -0.06
位移加载曲线
10
20
30
40
50
60
70
加载步
图3
3
3.4. 构件各部分有限元模拟方法 纵筋及箍筋：T3D2 杆单元
混凝土：C3D8R 实体单元
钢筋本构关系：理想塑性材料本构 混凝土本构关系：abaqus 混凝土损伤塑性本构（Concrete Damaged Plasticity）
3.5. 不同轴压比条件下钢筋混凝土柱最大变形应力云图
- 10 -
3.1. 试验构件描述 .........................................................................................................................2 3.2. 构件材料特性 .........................................................................................................................3 3.3. 试验加载过程 .........................................................................................................................3 3.4. 构件各部分有限元模拟方法 ...................................................................................................4 3.5. 不同轴压比条件下钢筋混凝土柱最大变形应力云图 .............................................................4 3.6. 不同轴压比条件下钢筋混凝土柱柱顶截面中点耗能滞回曲线及耗能分析 ...........................7
9
参考文献
[1] 王铁成, 卢明奇. 轴压比对方钢管混凝土框架延性影响的有限元分析[J]. 吉林大学学报 (工学版), 2005,(01) [2] 王继泽. 钢筋混凝土框架柱轴压比限值及截面延性分析[J]. 商品与质量, 2009,(S4) [3] 原旭. 轴压比对框架力学性能的影响[J]. 科技传播, 2009,(11) [4] 吕志涛,孟少平. 预应力混凝土框架结构抗震设计中问题的探讨[J]. 工业建筑, 2002,(10) . [5] 唐九如，吕志涛，张敏，崔宇. 预应力混凝土延性框架抗震配筋限值研究[J]. 建筑结构学 报, 1996,(01) .
高 2m，截面尺寸 0.4m×0.4m 的对称配筋的钢筋混凝土柱。混凝土柱纵筋配置
422，箍筋配置 8@200，箍筋加密区配置 8@100，混凝土保护层厚度 30mm，
其立面尺寸如图 1 所示，截面尺寸如图 2 所示。
图1
图2
-2-
3.2. 构件材料特性 ①混凝土：弹性模量 E=3.0e10 N/m2，泊松比 0.2，抗压强度 fc=2.53e7 N/m2， 抗拉强度 ft=1.96e6 N/m2 ②HPB235 钢筋：弹性模量 E=2.1e11 N/m2，泊松比 0.3，屈服强度 fy=2.1e8 N/m2 ③HRB400 钢筋：弹性模量 E=2.0e11 N/m2，泊松比 0.3，屈服强度 fy=3.6e8 N/m2
1. 前言 钢筋混凝土框架柱的破坏形态分为剪切、弯曲等,其中弯曲破坏又分为大、小
偏 心 受 压 破 坏 两 种 。剪 切 和 小 偏 心 受 压 都 属 于 脆 性 破 坏 类 型 , 要 想 改 善 柱 延 性 , 就 要 从根本上改变柱破坏形态,即由脆性的剪切破坏改为延性的弯曲破坏,研究结果表 明 ,剪 跨 比 、轴 压 比 、纵 筋 及 箍 筋 配 置 等 是 影 响 破 坏 形 态 的 主 要 因 素 。因 此 ,框 架 柱 的设计应同时考虑以上各个参数的影响。钢筋混凝土框架柱的轴压比限值及截面 延性的关系是每一个结构设计人员在设计时都遇到过的,并伤透脑筋的一个限值问 题 。为 了 保 证 柱 的 延 性 要 求 , 规 范 通 过 限 制 轴 压 比 , 主 要 是 希 望 柱 发 生 延 性 好 的 大 偏 心受压破坏,即弯曲型破坏,从而保证柱有足够大的弹塑性极限变形能力,实现大震 不倒的设计目的。 2. 柱轴压比定义
柱轴压比是控制框架柱截面尺寸的一个重要指标,其定义为:考虑地震作用组 合的轴压力设计值与柱全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值:
[n] N fc A
式中: N 为考虑地震作用组合的轴压力设计值; fc 为馄凝土轴心抗压强度设计值; A 为柱全截面面积。在《建筑抗震设计规范》GB50011-2001(2008 年版)第 6·3·7 条和 《混凝土结构设计规范》GB50010-2002 第 11·4·16 中，规定了筋混凝土框架柱轴 压比限值，见表 1。
轴压 比
混凝土最大变形应力云图
钢筋最大变形应力云图
0.3
-4-
0.4 0.5 0.6
5
0.7 0.8 0.9
-6-
3.6. 不同轴压比条件下钢筋混凝土柱柱顶截面中点耗能滞回曲线及耗能分析
根据 abaqus 的计算结果，将耗能滞回曲线的坐标点数据在 Excel 中进行后处
理，求出曲线面积即耗能值。