爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应判断方法
【专利摘要】本发明公开了爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应判断方法，它包括以下步骤：(1)在钢筋混凝土柱两端分别建立单个无实际长度的宏观弹簧单元，宏观弹簧单元包含轴向弹簧和剪切弹簧；(2)将钢筋混凝土柱横截面中箍筋围成的区域划定为核心混凝土区域，核心混凝土区域外围的区域为外围混凝土区域，分别计算得到轴向弹簧和剪切弹簧的应力-应变关系曲线；(3)求轴向弹簧的轴向压力-轴向变形关系曲线和剪切弹簧的剪力-剪切变形关系曲线并输入计算机,从而建立爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应分析的宏观模型。本发明的优点：能够准确及时的判断爆炸荷载下的钢筋混凝土柱动态响应。
【专利说明】爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应判断方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及结构工程技术，尤其涉及爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应判断方法。
【背景技术】
[0002]近几十年来，各类爆炸事件在全球范围内屡屡发生，对人们的生命财产安全构成巨大的威胁，如何通过结构抗爆分析、设计或加固，保证重要建筑的抗爆安全性，成为摆在现代各国工程技术人员面前的技术难题。钢筋混凝土结构因其质量大、能够有效抵御爆炸冲击波的瞬间作用而成为建筑结构抗爆设计的首选，而钢筋混凝土柱作为其主要承重构件和传力构件，其抗爆性能的好坏直接关系到结构的抗爆乃至抗连续倒塌性能。国内外对于爆炸荷载下钢筋混凝土柱的动态响应分析多采用分离式数值分析模型。分离式数值分析模型模拟结果准确，但建模复杂，计算效率底，且对计算机硬件要求高，因此只能用于单个柱或小型建筑结构的抗爆分析，而无法进行大规模的计算分析。近些年来，国内外学者尝试采用纤维单元模型模拟爆炸荷载下钢筋混凝土梁、柱构件的动态响应分析，虽然提高了计算效率，然而基于Hugles-Liu梁单元的纤维模型在考虑爆炸荷载下钢筋混凝土剪切变形方面有缺陷，而实际爆炸荷载作用下，随着爆炸荷载的大小、持时，钢筋混凝土柱会发生弯曲破坏、斜剪破坏以及直剪破坏，因此，纤维模型具有一定的局限性。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是在于提供一种能够准确及时的判断爆炸荷载下的钢筋混凝土柱动态响应，从而使设计的结构能够达到抗暴标准，保证人的生命安全的爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应判断方法。
[0004]本发明的爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应判断方法，它包括以下步骤:
[0005](I)在钢筋混凝土柱两端分别建立单个无实际长度的宏观弹簧单元，所述的宏观弹簧单元包含轴向弹簧和剪切弹簧；
[0006](2)将钢筋混凝土柱横截面中箍筋围成的区域划定为核心混凝土区域，核心混凝土区域外围的区域为外围混凝土区域，分别计算得到轴向弹簧和剪切弹簧的应力-应变关系曲线，所述的轴向弹簧的应力-应变关系曲线包括外围混凝土区域的混凝土轴向受压应力-应变关系曲线、核心混凝土区域的混凝土轴向受压应力-应变关系以及纵筋的应力-应变关系曲线；所述的剪切弹簧的应力-应变关系曲线包括外围混凝土区域混凝土的剪应力-剪应变关系曲线以及核心混凝土区域混凝土的剪应力-剪应变关系曲线；
[0007](3)基于轴向弹簧的应力-应变关系曲线，并且在钢筋混凝土柱的同一横截面上应变值相同，设定应变值，然后将同一应变值对应的外围混凝土区域混凝土、核心混凝土区域混凝土和纵筋的轴向受压应力分别乘以在该横截面上各自对应的面积得到各自的轴向压力值；然后将外围混凝土轴向压力值、核心混凝土轴向压力值和纵筋轴向压力值相叠加，得到整个截面的轴向压力值，再将轴向应变值乘以柱端塑性区长度得到柱端轴向变形值，从而得到轴向弹簧的轴向压力-轴向变形关系曲线；基于剪切弹簧的应力-应变关系曲线，并且在钢筋混凝土柱的同一横截面上应变值相同，设定应变值，然后将外围混凝土区域、核心混凝土区域的剪应力分别乘以各自对应的横截面上的面积得到各自的剪力值，然后将外围混凝土剪力值、核心混凝土剪力值相叠加,得到整个截面的剪力值,再将剪切应变值乘以柱端截面宽度得到柱端剪切变形值，从而得到剪切弹簧的剪力-剪切变形关系曲线；
[0008](4)将所述的轴向弹簧的轴向压力-轴向变形关系曲线和剪切弹簧的剪力-剪切变形关系曲线输入计算机，从而建立爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应分析的宏观模型。
[0009]本发明的优点:能够准确及时的判断爆炸荷载下的钢筋混凝土柱动态响应，从而使设计的结构能够达到抗暴标准，保证人的生命安全。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为钢筋混凝土柱宏观模型图；
[0011]图2为柱端轴向弹簧的轴力-轴向变形关系曲线图；
[0012]图3为柱端剪切弹簧的剪力-剪切变形关系曲线图；
[0013]图4简化的倒三角形爆炸荷载示意图；
[0014]图5-1为本发明方法建立的宏观模型与纤维模型和分离式模型的柱中总变形对比图；
[0015]图5-2为本发明方法建立的宏观模型与纤维模型和分离式模型的柱端剪切变形对比图；
[0016]图6为钢筋混凝土柱端截面剪力时程曲线对比图。
【具体实施方式】
[0017]如图1所示，本发明以分离式数值分析模型为基准，在纤维梁单元模型的基础上，在钢筋混凝土柱两端分别建立单个无实际长度的宏观弹簧单元(该宏观弹簧单元包含轴向和剪切两个方向自由度)，且通过准确模拟柱端边界条件，以及定义柱端轴向弹簧和剪切弹簧的参数，从而建立爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱动态响应分析的宏观模型，在钢筋混凝土柱横截面中箍筋围成的区域为核心混凝土区域，其余的部分(核心混凝土区域外围的区域)则为外围混凝土区域。图1中Ac表示核心区混凝土的面积，a、b分别代表轴向弹簧和剪切弹簧的两端节点。
[0018]基于Hughes-Liu梁单元只能反映钢筋混凝土柱的弯曲变形，本发明中钢筋混凝土柱的宏观模型采用如下基本假设:爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱的变形为不耦合的弯曲变形与剪切变形之和；剪切变形可由居于钢筋混凝土柱端的剪切弹簧模拟。
[0019]本发明的爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应判断方法，它包括以下步骤:(I)在钢筋混凝土柱两端分别建立单个无实际长度的宏观弹簧单元，所述的宏观弹簧单元包含轴向弹簧和剪切弹簧；(2)将钢筋混凝土柱横截面中箍筋围成的区域划定为核心混凝土区域，核心混凝土区域外围的区域为外围混凝土区域，分别计算得到轴向弹簧和剪切弹簧的应力-应变关系曲线，所述的轴向弹簧的应力-应变关系曲线包括外围混凝土区域的混凝土轴向受压应力-应变关系曲线、核心混凝土区域的混凝土轴向受压应力-应变关系以及纵筋的应力-应变关系曲线；所述的剪切弹簧的应力-应变关系曲线包括外围混凝土区域混凝土的剪应力-剪应变关系曲线以及核心混凝土区域混凝土的剪应力-剪应变关系曲线.[0020]轴向弹簧参数可根据文献(ReddiarM K M.Stress-strain Model ofUnconfined and Confined Concrete and Stress-block Parameters[D].Texas A&MUniversity, 2009.)米用的Kent&Park模型和Scott修改的Kent&Park模型，通过下式得到外围混凝土区域的轴向受压应力-应变关系:
【权利要求】
1.爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应判断方法，其特征在于它包括以下步骤: (1)在钢筋混凝土柱两端分别建立单个无实际长度的宏观弹簧单元，所述的宏观弹簧单元包含轴向弹簧和剪切弹簧； (2)将钢筋混凝土柱横截面中箍筋围成的区域划定为核心混凝土区域，核心混凝土区域外围的区域为外围混凝土区域，分别计算得到轴向弹簧和剪切弹簧的应力-应变关系曲线，所述的轴向弹簧的应力-应变关系曲线包括外围混凝土区域的混凝土轴向受压应力-应变关系曲线、核心混凝土区域的混凝土轴向受压应力-应变关系以及纵筋的应力-应变关系曲线；所述的剪切弹簧的应力-应变关系曲线包括外围混凝土区域混凝土的剪应力-剪应变关系曲线以及核心混凝土区域混凝土的剪应力-剪应变关系曲线； (3)基于轴向弹簧的应力-应变关系曲线，并且在钢筋混凝土柱的同一横截面上应变值相同，设定应变值，然后将同一应变值对应的外围混凝土区域混凝土、核心混凝土区域混凝土和纵筋的轴向受压应力分别乘以在该横截面上各自对应的面积得到各自的轴向压力值；然后将外围混凝土轴向压力值、核心混凝土轴向压力值和纵筋轴向压力值相叠加，得到整个截面的轴向压力值，再将轴向应变值乘以柱端塑性区长度得到柱端轴向变形值，从而得到轴向弹簧的轴向压力-轴向变形关系曲线；基于剪切弹簧的应力-应变关系曲线，并且在钢筋混凝土柱的同一横截面上应变值相同，设定应变值，然后将外围混凝土区域、核心混凝土区域的剪应力分别乘以各自对应的横截面上的面积得到各自的剪力值，然后将外围混凝土剪力值、核心混凝土剪力值相叠加，得到整个截面的剪力值，再将剪切应变值乘以柱端截面宽度得到柱端剪切变形值，从而得到剪切弹簧的剪力-剪切变形关系曲线； (4)将所述的轴向弹簧的轴向压力-轴向变形关系曲线和剪切弹簧的剪力-剪切变形关系曲线输入计算机，从而建立爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应分析的宏观模型。
2.根据权利要求1所述的爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应判断方法，其特征在:所述的外围混凝土区域的混凝土轴向受压应力-应变关系曲线计算公式为:
3.根据权利要求1或2所述的爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应判断方法，其特征在:所述的外围混凝土区域混凝土的剪应力-剪应变关系曲线的计算公式为:
【文档编号】G01N3/313GK103512815SQ201310444390
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年9月25日 优先权日:2013年9月25日
【发明者】李忠献, 何振锋, 师燕超, 丁阳 申请人:天津大学