技术周刊 | SAUSG软件性能评价标准5——RBS性能评价标准

构件性能评价是建筑结构弹塑性分析中的重要内容。SAUSG软件提供了多种构件性能评价方法，这些方法基于不同的文献或标准规范制定，评价原理和评价结果可能存在差异。笔者通过前期文章分别介绍了SAUSG软件评价标准中的默认值、《建筑结构非线性分析技术标准》、《建筑结构抗倒塌设计标准》和《建筑工程混凝土结构抗震性能设计规程》，本文继续对SAUSG软件中的RBS性能评价标准进行介绍。

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评价标准介绍

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JCJ3-2010）第3.11节——结构抗震性能设计，将结构的抗震性能分为1～5五个水准，对应的构件损坏程度则分为“无损坏、轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、比较严重损坏”五个级别。

在SAUSG与高规中构件的损坏程度对应关系如表1-1所示，评价原理如下：

1）钢材在屈服后其强度并不会下降，衡量其损坏程度的主要指标是塑性应变值。借鉴FEMA标准中塑性变形程度与构件状态的关系（图1-1），设钢材塑性应变分别为屈服应变2、4、6倍时分别对应轻度损伤、中度损伤和比较严重损伤三种程度。常用Q345钢屈服应变近似为0.002，则上述三种状态对应的塑性应变分别为0.004、0.008和0.012。

2）混凝土在达到极限强度后会出现刚度退化和承载力下降，其程度通过受压损伤因子Dc来描述。Dc与混凝土的剩余承载力可对应，Dc越大，则混凝土剩余承载力越小。混凝土材料出现小于f_ck对应的损伤因子Dc时，混凝土承载力依然在增大；只有在Dc超过f_ck对应的损伤因子后，混凝土的承载力才开始下降，如图1-2所示。考虑到应力集中的影响及混凝土本构中未考虑箍筋约束的强度提高作用，将混凝土承载力峰值f_ck对应的损伤因子设为中度损坏起始点，将承载力剩余0.5f_ck对应的损伤因子则认定为比较严重的损坏临界点。表1-2给出了不同等级混凝土在峰值f_ck和剩余0.5f_ck对应的损伤因子。

3）对采用杆单元模拟的梁、柱、斜撑等构件，钢材（钢筋）的塑性应变会造成构件刚度退化，但不会出现承载力下降，因此可视钢材塑性应变程度区分为轻微损坏～比较严重损坏。而构件中的混凝土一旦出现受压损伤，则肯定会造成构件承载力下降，属于中度损坏～比较严重损坏。

4）剪力墙构件由“多个细分混凝土壳元+分层分布钢筋+两端约束边缘构件杆元”共同构成，以承受竖向荷载和抗剪。对单个组成单元来说，其损伤程度判定标准与上述第3条相同。但对整个剪力墙构件而言，由于墙肢一般不满足平截面假定，在边缘混凝土单元出现受压损伤后，构件承载力不会立即下降，其损坏判断标准应有所放宽。考虑到剪力墙的初始轴压比通常为0.5～0.6，当50%的横截面强度退化达到0.5时，构件整体抗压和抗剪承载力剩余约75%，仍可承担重力荷载，因此以剪力墙受压损伤横截面面积作为其严重损坏的主要判断标准，如图1-3所示。

5）连梁和楼板的损坏程度判别标准与剪力墙类似，楼板以承担竖向荷载为主，且具有双向传力性质，小于半跨宽度范围内的楼板强度退化达到0.5时，尚不至于出现严重损坏而导致垮塌。

表1-1 计算结果与“高规”构件损坏程度的对应关系

图1-1 FEMA标准中构件状态与塑性变形程度的对应关系

图1-2 C60混凝土承载力与受压损伤因子的简化对应关系

表1-2 混凝土峰值承载力（f_ck）和0.5倍峰值承载力（0.5f_ck）对应的受压损伤因子

图1-3 剪力墙位移-剪力相关性曲线及其对应的混凝土损伤状态

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SAUSG软件实现

SAUSG软件中，依次点击【分析】→【性能评价】→【RBS性能评价标准】即可，如图2-1所示。

 

图2-1 性能评价标准-默认值

RBS性能评价标准评价等级如表2-1所示。

表2-1 RBS性能评价标准

说明：

1. S_d为混凝土受压强度退化系数，S_d=±(1-σ_c/f_c)，压应力未达到峰值取负值，压应力超过峰值取正值；

2. ε/ε_y为钢筋或钢材应变与屈服应变比值；

3. 表中数值均为各性能水平的下限值，例如S_d在[0,0.5)范围内判定为中度损坏；

4. 单元性能水平取单元各项指标对应的最大损坏性能水平；

5. 梁柱构件性能水平取各单元性能水平的最大值；

6. 墙板构件性能水平取各单元性能水平的最大值，并根据损伤范围进行修正：

若构件中度及以上损伤横截面面积小于构件横截面总面积的20%，则构件性能水平降低一级；

若构件中度及以上损伤横截面面积大于构件横截面总面积的50%，则构件性能水平提升一级；

若构件重度及以上损伤横截面面积小于构件横截面总面积的20%，则构件性能水平降为中度损伤。

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评价原理

RBS性能评价标准以构件混凝土受压强度退化程度（Sd）、构件钢筋塑性应变水平（ε/ε_p,即钢筋塑性应变与屈服应变比值）和构件截面上损伤比例为指标进行构件性能评价。将构件性能划分为无损坏、轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、比较严重损坏（重度损坏）和严重损坏共六个等级。

钢材

与其他评价标准类似，钢材采用塑性应变与屈服应变的比值（ε/ε_p）来给出各个性能水平的对应标准。RBS性能评价标准钢材评价指标与其他评价标准对比如表3-1所示，可以看出RBS性能评价标准钢材评价指标略微宽松。

表3-1 非线性标准与默认值钢材等级（ε/ε_y）划分对比

混凝土

在RBS性能评价标准中，以混凝土压缩强度作为混凝土性能评价指标。由于在混凝土非线性本构中，压缩强度指标不是单调变化的，因此为了便于描述混凝土损伤，构造一个新的变量——凝土受压强度退化系数S_d，其定义如下：

式中：σ、ε——混凝土压应力和压应变；

          f_c、ε_c——混凝土抗压强度和对应压应变。

随着混凝土压缩损伤发展，混凝土受压强度退化系数从-1~1单调增大，当混凝土压应力为0时，S_d=-1；当混凝土压应力达到压缩强度f_c时，S_d=0；当混凝土压应变超过ε_c压缩强度出现退化时，S_d>0，并逐渐增大到1。

构件合并

RBS性能评价标准需对剪力墙构件合并进行性能评价，也就是说剪力墙由多段墙身和边缘构件组成，需综合各段墙身和边缘构件进行性能评价。在“性能评价标准”对话框中勾选【按合成构件统计构件性能】即可，如图3-1所示，将自动对剪力墙构件进行合并按照合并后的构件进行构件性能评价。构件合并遵循以下原则：

1. 剪力墙构件在同一结构层；

2. 剪力墙构件长度方向（1轴方向）夹角小于15°；

3. 考虑剪力墙边缘构件。

图3-1 构件合并

剪力墙构件性能评价

剪力墙构件的性能评价在考虑构件合并的基础上，首先取各合并构件各单元性能水平的最大值，然后根据损伤范围进行修正，如图3-2所示，修正准则如下：

1) 若构件中度及以上损伤横截面面积小于构件横截面总面积的20%，则构件性能水平降低一级；、

2) 若构件中度及以上损伤横截面面积大于构件横截面总面积的50%，则构件性能水平提升一级；

3）若构件重度及以上损伤横截面面积小于构件横截面总面积的20%，则构件性能水平降为中度损伤。

(a) 单元性能

(b) 构件性能（轻度损伤）

图3-2 合成剪力墙性能评价

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小结

SAUSG软件在提供部分标准规范中的性能评价标准的同时，也提供了相关企业标准，供相关用户使用。RBS评价标准主要特点如下：

1) 钢材性能评价指标与其他标准类似，混凝土评价指标通过构造混凝土强度退化系数进行评价，与其他指标存在明显差异；

2) 对于剪力墙构件，可将模型中由于节点自动打断的不同墙身和边缘构件合并为一个整体进行性能评价，并考虑构件横截面上的损伤范围对性能评价结果进行调整。

END

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