一种基于不同承载力指标的剪力墙损伤参数确定方法与流程

1.本发明涉及一种基于混凝土损伤参数的构件性能状态判别实现方法，尤其涉及的是，一种基于不同承载力指标的剪力墙损伤参数确定方法。


背景技术：

2.现有技术中对混凝土剪力墙的损伤状态一般分为五种，包括：轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、不严重损坏、较严重损坏。这五种状态的判断准则虽然有各种规范规定，例如《建筑抗震设计规范》(gb 50011-2010)中的“不同承载能力构件对应不同性能要求的承载力参考”这一内容，用来确定构件的性能判断。然而现有技术中确认该五种状态的方式一般是通过破坏性试验的方式，或者通过人为参数设置的分析实现，往往判断不准确，评估结构受力构件的性能状态时存在一定的误差甚至得到错误的结果。
3.混凝土作为重要的建筑材料已有百余年的历史，考虑到混凝土本身材料构成的复杂性，尽管结构工程领域混凝土力学特性(包含本构模型)的研究得到了广泛的发展，但对混凝土损伤与断裂过程中的裂纹扩展以及损伤与断裂机制等基本问题，仍需要进一步探索。
4.模拟钢筋混凝土剪力墙非线性分析的有限元方法有实体分析法和壳元分析法。剪力墙的实体分析法是在通用有限元软件中分别建立混凝土和钢筋三维几何模型，并基于各自的材料本构关系，进行加载求解。实体模型中混凝土和钢筋通过合理的边界耦合关系来协调两者的变形。常见的边界耦合关系有：
①
共节点，这种求解代价最小，但对网格的划分要求比较高；
②
将钢筋或型钢埋置在混凝土实体里。当建模时空间位置满足符合埋置的几何关系时，不同材料之间的耦合关系就能实现；
③
不同材料之间设置弹簧单元，根据材料间的粘结本构定义弹簧属性。前面两种方法是忽略不同材料间的粘结滑移。总之，实体分析方法需要考虑不同材料的连接关系，这对模型几何划分的精细程度有较高的要求。整体结构采用这种方法的计算成本非常高，而且计算的收敛性难以保证，因此实体法基本只适用于构件层面的分析。
5.因此，采用二维壳元模型分析钢筋混凝土剪力墙整体结构，既具有比较好的精度和实用性，又能兼顾计算效率，在工程界与学术研究界得到了广泛的认可与发展。其中，分层壳的二维混凝土本构采用混凝土损伤模型，能直观动画地反映剪力墙构件在荷载或地震作用下的损伤变化历程。损伤参数仅仅是表示构件的刚度退化程度，损伤参数在[0,1]之间，当损伤为0时表示墙肢完好，当损伤为1时表明墙肢完全破坏。对于前述的剪力墙五种破坏状态，对应各个状态的损伤参数是在(0,1)变化。尽管《建筑抗震设计规范》(gb 50011-2010)中有明确的承载力判断标准，但仍缺乏可直接用于指导评估混凝土性能状态的损伤参数取值区间。
[0006]
在混凝土的损伤模型研究中，大量学者针对具体工程情况提出了各种不同的损伤本构模型，但是由于适用条件的特殊性及所建立本构模型的复杂化，很少有一种能够表达简单、便于工程师接受的一般损伤本构关系，且以具有明确的物理意义的损伤参数标准来
评估混凝土受力性能状态更是欠缺。总之，现有技术针对混凝土的损伤模型参数一直没有很好的解决方案，现有技术存在问题而有待于解决。


技术实现要素：

[0007]
本发明的目的在于提供一种基于不同承载力指标的剪力墙损伤参数确定方法，提供一种符合实际可预期的混凝土损伤模型参数确定方法，相对精确且符合实际情况。
[0008]
本发明的技术方案如下：
[0009]
一种基于不同承载力指标的剪力墙损伤参数确定方法，其中，通过对整体剪力墙的通用有限元软件分析，基于能量等效将材料设计值、极限值的状态均等效为标准值模型的损伤状态，并包括以下步骤：a、建立采用材料设计值或极限值对应构件性能状态的有限元模型，分析得到墙体承载力-位移曲线，根据力-位移围合的面积作为该状态的能量值；b、根据能量等效原则，确定基于标准值模型的承载力-位移曲线中的位移数值，从而确定墙肢所处的损伤状态与损伤参数。
[0010]
所述的基于不同承载力指标的剪力墙损伤参数确定方法，其中，在所述步骤a之前还设置有步骤：
[0011]
a0、在有限元处理软件中建立所述剪力墙的构件模型并进行参数计算。
[0012]
所述的基于不同承载力指标的剪力墙损伤参数确定方法，其中，所通用有限元软件采用paco、sausage、abaqus中的一种或多种。
[0013]
所述的基于不同承载力指标的剪力墙损伤参数确定方法，其中，所述步骤b中，损伤状态的轻微损坏对应损伤值为(0,0.3]，轻度损坏对应损伤值为(0.3～0.5]，中度损坏对应损伤值为(0.5～0.7]，不严重损坏对应损伤值为(0.7～0.9]并对应损伤墙体占全截面的30％，较严重损伤对应损伤致为(0.9,1)。
[0014]
所述的基于不同承载力指标的剪力墙损伤参数确定方法，其中，所述步骤a中的材料极限强度值，其混凝土强度取立方强度的0.88倍，钢筋强度取屈服强度的1.25倍。
[0015]
所述的基于不同承载力指标的剪力墙损伤参数确定方法，其中，所述步骤a、b中的设计值模型、极限值模型和标准值模型损伤计算步骤为：先进行竖向荷载的施加过程，之后竖向荷载保持不变，再进行水平荷载施加过程，从而确定墙体的承载力-位移曲线与损伤分布。
[0016]
本发明所提供的一种基于不同承载力指标的剪力墙损伤参数确定方法，由于采用了在有限元处理软件中针对剪力墙损伤模型和参数计算，通过能量等效的方式进行处理，可以迅速且合理的确定损伤状态，计算预测更为精准。
附图说明
[0017]
图1为本发明所述基于不同承载力指标的剪力墙损伤参数确定方法较佳实施例的处理流程示意图。
[0018]
图2为本发明所述方法较佳实施例中的剪力墙有限元模型建立示意图，其中(a)为墙体有限元模型，(b)为墙体顶部施加的轴向力，(c)为墙体顶部施加的水平位移时程。
[0019]
图3为本发明所述方法的剪力墙受压损伤最后时刻分布计算结果显示示意图。
[0020]
图4为本发明所述方法的剪力墙不同材料强度等级对应的基底剪力和水平位移曲
线示意图。
[0021]
图5所示为本发明方法较佳实施例中实现结构构件抗震性能要求的承载力参照指标示例表格。
[0022]
图6所示为本发明方法较佳实施例中的结构构件状态、损坏程度与构件承载力对应关系表格。
[0023]
图7为本发明所述方法较佳实施例中的混凝土材料卸载以及再加载路径曲线示意图。
[0024]
图8所示为本发明方法较佳实施例中的c60混凝土应力-应变-损伤对应曲线示意图。
[0025]
图9所示为本发明方法较佳实施例中构件不同状态对应的混凝土材料损伤分布的有限元分析示意图。
具体实施方式
[0026]
以下对本发明的较佳实施例加以详细说明。
[0027]
本发明所提供的一种基于不同承载力指标的剪力墙损伤参数确定方法较佳实施例中，应用在常见的通用有限元分析软件中，例如paco、sausage、abaqus等中的一种或多种，针对剪力墙设置损伤参数确定过程。在进行针对剪力墙的整体有限元分析时，所述剪力墙的墙体大多数情况是统一直接采用标准值材料的，故对应损伤状态时，均基于材料标准强度的模型。本发明所述方法较佳实施例中，将材料设计值、极限值模型的状态均等效为标准值模型的损伤状态是基于能量等效的假定，具体对应方法的处理步骤如下：第一步，建立采用材料设计值或极限值对应构件性能状态的有限元模型，分析得到墙体承载力-位移曲线，根据力-位移围合的面积作为该状态的能量值；第二步，根据能量等效原则，确定基于标准值模型的承载力-位移曲线中的位移数值，从而确定墙肢所处的损伤状态与损伤参数。此时，认为标准值模型中该损伤状态即表征构件状态的承载力范围。
[0028]
本发明基于不同承载力指标的剪力墙损伤参数确定方法是通过有限元模型的分析，遵循现有承载力评估构件性能判定的准则，建立了剪力墙的混凝土损伤参数与墙肢承载能力的对应关系，如通过材料标准值强度与极限值强度曲线的承载力-位移围合面积，基于能量等效原则，实现在不同材料强度等级对应损伤状态的换算。相应的，极限值受力状态可以更换为标准值或设计值的受力状态，得到不同性能状态下损伤参数规律，进而等效地实现通过承载力判别准则来判断剪力墙的性能状态，概念清晰且更为精准。
[0029]
本发明所述基于不同承载力指标的剪力墙损伤参数确定方法较佳实施例中，如图1所示，基本的处理步骤包括：首先在有限元处理软件中建立构件的模型并进行参数计算；其次，依照有限元分析的过程输出构件的承载力-位移曲线；第三，根据构件性能判断准则确定轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、不严重损坏、较严重损坏等等不同状态；第四，通过能量等效原则，得到各个性能状态基于材料模型的损伤参数，可以将上述损伤状态对应为五种不同的损伤1-5范围，例如但不限于，可以将损伤参数(0,0.3]为损伤1，损伤参数(0.3～0.5]为损伤2，损伤参数(0.5～0.7]为损伤3，损伤参数(0.7～0.9]为损伤4，损伤参数》＝0.9为损伤5，从而根据构件性能判断准则，分别对应轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、不严重损坏和较严重损坏。
[0030]
本发明的具体实施例的剪力墙损伤参数处理示例中，其剪力墙长度为4m，高度为5.4m，墙厚为0.4m，墙体竖向和水平配筋率取为0.3％。混凝土材料为c60，钢筋材料为hrb400。通过软件建立有限元模型，如附图2(a)-(c)所示的，图2(b)表示的墙体顶部施加的轴向力，控制墙体保持在0.5的轴压比状态。依照计算，墙顶共施加0.5*27.5e6*4*0.4＝22e3 kn，其中27.5e6为混凝土c60强度设计值，单位为n/m2，4m为墙体长度，0.4m为墙体厚度。图2(c)表示的是保持墙体轴压比恒为0.5时，墙体顶部施加的水平位移。
[0031]
根据《建筑抗震设计规范》(gb 50011-2010)附录m中就“不同承载能力构件对应于不同性能要求的承载力参考”这一内容，确定构件的性能判断准则。为抗震规范附录提供的结构构件实现抗震性能要求的承载力参考指标表，从图5表中可知直观地判断出构件的几个状态：完好、基本完好、轻微损坏、轻度损坏、中度损坏和不严重损坏这六个层次。
[0032]
根据这些内容，可以将构件不同性能目标、损坏程度和承载力建立关系，如图6所示附表所示。附表中的“材料设计强度值”、“标准强度值”分别对应混凝土规范中的规定范围；对于极限强度值，混凝土强度取立方强度的0.88倍，钢筋强度取屈服强度的1.25倍。
[0033]
本发明所述方法的较佳实施例中，其混凝土材料模型的骨架曲线取自《混凝土结构设计规范》(gb50010-2010)附录c的混凝土单轴拉压本构关系，引入对混凝土受压峰值应力fc和其对应应变εc的增大系数k，修改混凝土单轴受压骨架曲线进而考虑箍筋的约束。修改后的受压骨架曲线描述如式(1)。
[0034][0035]
式中αa＝2.4-0.0125fc；
[0036]
对于普通混凝土截面，k＝1+ρ
vfyh
/fc，式中ρv为体积配箍率，f
yh
为箍筋屈服强度，fc为混凝土受压骨架曲线的峰值应力；对于钢管混凝土截面，k＝1+(aa/a
cc
)(1.8fa/f
c-ea/ec)，式中fa、ea、aa为钢材的屈服强度、弹性模量和截面面积，ec、a
cc
为钢材内混凝土的弹性模量和截面面积。
[0037]
反复荷载作用下混凝土受拉或受压的卸载及再加载路径呈直径，如图7所示，其中er表示点f处的卸载曲线弹性模量，e0为混凝土初始弹性模量，两者关系满足式(2)。
[0038][0039]
混凝土损伤与骨架曲线关系参考通用有限元软件(如abaqus、paco或sausage等)的帮助，混凝土损伤参数的大小表征了混凝土刚度退化的程度，以受压损伤dc为例，则可以建立混凝土损伤和混凝土应变、应力之间的关系，如式(3)。式中的应力可以表示为应变的函数，故式(3)可以认为损伤dc也是应变的函数。
[0040][0041]
将混凝土的应力应变骨架曲线和应变-损伤曲线绘制在一起，以c60为例，如附图8所示。
[0042]
钢筋采用menegotto-pinto模型(简称mp)，基本公式为：
[0043][0044]
σ
*
＝(σ-σr)/(σ
0-σr)
ꢀꢀꢀ
(5)
[0045]
ε
*
＝(ε-εr)/(ε
0-εr)
ꢀꢀꢀ
(6)
[0046]
b＝eh/esꢀꢀꢀ
(7)
[0047]
r＝r
0-a1ξ/(a2+ξ)
ꢀꢀꢀ
(8)
[0048]
ξ＝|(ε
m-ε0)/εy|
ꢀꢀꢀ
(9)
[0049]
式中：(εr，σr)为应变转折点；(ε0，σ0)为弹性渐近线与屈服渐近线的交点；eh为硬化模量；es为弹性模量；εm为加载历史中应变的最大值或最小值(取决于当前应变的增减)；εy为钢筋屈服应变；r0、a1、a2由试验确定，默认值取为18.5，0.925和0.15。
[0050]
本发明所述实现方法实施例中，计算模型的材料分别采用设计值、标准值和极限值，通过取设计值、标准值与极限值的能量一致，确定相应材料设计值、标准值与极限值下的损伤状态。实际处理中，本发明模型的计算时间为10s，0～5s作为竖向荷载的施加过程，之后竖向荷载保持不变，5～10s进行水平位移开始施加。
[0051]
根据上述计算处理，本发明所述剪力墙的混凝土损伤参数构件性能状态判别方法较佳实施例中，可以根据材料的设计值、标准值和极限值分别计算该墙体的受压损伤分布情况，分别得到墙体不同时刻的损伤状态分布。如图3所示，其为最后时刻的剪力墙损伤分布图在有限元分析软件中的结果输出示例。
[0052]
如图4所示为材料标准值强度和极限值强度对应的墙体基底剪力和水平位移曲线图，依照力-位移围合面积代表对应拟定性能状态能量数值的判断方式，通过相同能量值来确定标准值模型中对应的损伤状态，此时该该损伤状态即表征剪力墙拟定的受力性能状态。
[0053]
在进行整体有限元分析时，墙体大多数情况是基于标准值材料，故对应损伤状态时，均基于材料标准强度的模型。将材料设计值、极限值模型的状态均等效为标准值模型的损伤状态是基于能量等效的假定，具体对应方法如下：第一步，建立采用材料设计值或极限值对应构件性能状态的有限元模型，分析得到墙体承载力-位移曲线，根据力-位移围合的面积作为该状态的能量值；第二步，根据能量等效原则，确定基于标准值模型的承载力-位移曲线中的位移数值，从而确定墙肢所处的损伤状态与损伤参数。此时，认为标准值模型中该损伤状态即表征剪力墙拟定的受力性能状态。
[0054]
根据前述方法，确定出如图9中的各个状态，依次为(a)轻微损坏、(b)轻度损坏、(c)中度损坏和(d)不严重损坏，各自对应的损伤值分别约为(0,0.3]，(0.3，0.50]，(0.5，0.7]和(0.7，0.90]，其中不严重损坏对应墙体占全截面的约为30％。
[0055]
本发明所述基于不同承载力指标的剪力墙损伤参数确定方法较佳实施例中，由于采用了在有限元处理软件中针对剪力墙损伤模型和参数计算，通过能量等效的方式进行处理，可以迅速且合理的确定损伤状态，计算预测更为精准。
[0056]
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。