一、选题背景及意义

目前全球范围内地震灾害频发，例如近期发生的云南楚雄州双柏县5.1级地震，青海海西州茫崖市5.8级地震如图1所示。

图1 近期全球范围内5级以上地震

虽然这些地震并未造成严重人员伤亡，但是对于目前常见的钢筋混凝土结构房屋均会造成不同程度损害，影响房屋正常居住。对于震后房屋的破坏程度评定及安全性评价，除现场检测外利用有限元模拟是另一种重要的手段，有限元模拟可以更高效清晰的评估房屋的损坏位置及震后安全性。在震级较大时钢筋混凝土结构常进入非线性阶段，包括钢筋的塑性变形，混凝土的塑性损伤等。ABAQUS对于处于非线性问题较为卓越，因此本例采用ABAQUS作为钢筋混凝土房屋地震分析的软件，房屋原型参数如图2所示，并在下文具体讨论材料属性定义、接触关系、地震施加及结构后处理几方面的操作。

图2 原型结构参数

二、有限元模型建立要点

2.1 材料属性定义

结构所用混凝土为C30混凝土，箍筋及拉结筋为HRB300钢筋，纵筋为HRB400钢筋。材料的基本属性如表1所示。

2.2模型拆分与装配

由于整体结构涉及多种材料及多个部件，为提高建模速度需对结构进行拆分，首先将钢筋笼与混凝土拆分开，如图3（a）所示。混凝土部分由不同的墙、板、梁组成，因此对其再进行拆分，拆分为前、后墙，侧墙，楼板及地梁，如图3（b）所示。

图3 模型拆分

模型拆分建模后按照空间关系对各部分进行装配，墙-板-梁之间可用Tie接触，但是由于Tie约束会降低计算速度，增加计算的不收敛性，本例中采用合并-拆分的方式处理墙-板-梁之间的接触关系，即将墙-板-梁先合并成一个整体，在划分网格时再对其进行切分如图4所示。这样不仅可以满足网格使用C3D8R单元，还可以提高计算速度，避免计算不收敛。

图4 混凝土部分合并与切分

2.3接触关系与边界条件设置

上部混凝土部件与地梁采用Tie接触，钢筋与混凝土接触关系使用“Embedded region”，地梁底部约束除U3外的其他5个自由度，在U3方向施加加速度激励，幅值曲线即为地震波时程曲线如图6所示。

图5 边界条件设置

地震加载时选用EL Centro波，如图所示，在ABAQUS中加载时截取0~10S数据，地震峰值加速度按照《GB50011-2010 建筑抗震设计规范(2016年版)》进行调整如表2所示，分别计算8度多遇地震（70gal）、9度多遇地震（140gal）和7度罕遇地震（220gal）。

图6 EL Centro地震波

2.4分析步与场输出设置

地震分析时常出现模型计算不收敛的问题，为保证计算收敛在设置分析步时先定义一个重力分析步，在此基础上在增加一个动力分析步，如图7所示。

图7 分析步设置

在定义场变量输出时，为得到结构加速度、位移时程曲线曲线需勾选A和U，为得到混凝土损伤需勾选DAMAGEC,DAMAGET，为得到结构应力、应变需勾选S和E。其他量可根据需要选择性输出，场变量定义如图8所示。

图8 场变量输出定义

三、作业创建与结果后处理

3.1 作业创建与提交

前处理结束后进行作业定义与提交，为提高计算速度开启多核加速计算如图9所示，计算工况如图10所示。

图9 多核加速计算

图10 计算工况

3.2 时程曲线分析

提取结果顶部加速度时程曲线，如图11所示，随震级增加，结构的加速度响应明显增大。70gal时加速度最大峰值2.945m/s2，140gal时加速度最大峰值5.44m/s2，220gal时加速度最大峰值9.91m/s2。

图11 结构加速度时程曲线

提取结果顶部加速度时程曲线，如图12所示，随震级增加，结构的加速度响应明显增大。70gal时位移最大峰值1.84mm，140gal时位移最大峰值3.09mm，220gal时位移最大峰值6.28mm。得到最大位移后，按照《GB50011-2010 建筑抗震设计规范(2016年版)》中对结构层间位移角限值的规定，可计算不同震级作用下结构是否发生破坏。