知其名目,识其所宜 ——弹塑性分析几何模型剖析，以SAUSAGE软件为例

小震设计和大震验算

我国结构抗震设计采用的是 “三水准抗震设防，两阶段抗震设计”，其中“两阶段设计”是指第一阶段的承载力设计和第二阶段的弹塑性变形验算（当然对大多数的结构，可只进行第一阶段设计，而通过概念设计和抗震构造措施来满足第二阶段的设计要求）。

第一阶段即对应我们常说的小震设计（或中震设计），第二阶段则是在已经得到了结构设计模型的基础上，采用弹塑性方法对结构进行结构大震的变形验算。

在进行小震设计的时候，事先并不知道结构的配筋情况的，所以我们建立的PKPM模型是不包含结构的配筋信息，软件在计算过程中首先得到构件的内力，然后再根据构件的内力进行设计得到构件的配筋情况，在计算构件内力的时候是没有考虑钢筋这一部分刚度对结构的影响（事实上钢筋对结构刚度的影响也基本可以忽略）。

大震弹塑性验算就不一样了，弹塑性验算需要考虑到构件的损伤和屈服，如果没有纵筋、箍筋或边缘构件的帮助的话，脆弱的混凝土早就被振的稀碎了。

所以，在进行弹塑性分析之前，需要给每根构件定义好钢筋配置情况（这在小震设计的时候是完全没必要的），弹塑性分析得到的结果只是基于当前配筋下的验算结果。

图1 钢筋三维效果图（来自网络）

知道了为什么要考虑钢筋，接下来我们再看一下SAUSAGE中具体是怎么考虑这些密密麻麻的钢筋（包括型钢）作用的。

SAUSAGE模型——梁

SAUSAGE几何模型

梁：SAUSAGE中梁构件采用纤维素模型，即将构件截面根据不同材料（混凝土、纵筋、型钢等）剖分为大小不等的纤维素，用来考虑构件的拉、压、弯等力学特性。

梁截面

（其中红点为纵筋纤维素，红色圆圈为型钢纤维素，蓝色圆圈为混凝土纤维素）

SAUSAGE模型——柱

柱：与梁构件类似，SAUSAGE中柱构件同样采用纤维素模型，将构件截面根据不同材料（混凝土、纵筋、型钢等）剖分为大小不等的纤维素，用来考虑构件的拉、压、弯等力学特性。而箍筋和钢管混凝土的约束效应则是通过采用清华大学钱稼茹教授在文献[1]和韩林海教授在文献[2]中提出的本构模型来考虑。

型钢混凝土柱截面

（其中红点为纵筋纤维素，红色圆圈为型钢纤维素，蓝色圆圈为混凝土纤维素）

[1] 钱稼茹等，普通箍筋约束混凝土柱的中心受压性能[J]，清华大学学报，2002，42（10）： 1369-1373

[2] 韩林海，钢管混凝土结构-理论与实践（第二版），北京，科学出版社，2007.

SAUSAGE——剪力墙

剪力墙：剪力墙构件的组成就较为复杂，对于普通的钢筋混凝土剪力墙，要由墙身和边缘构件两部分组成。

剪力墙墙身为二维壳元，采用分层壳单元进行模拟，分层壳单元包含钢筋层（水平分布筋和竖向分布筋）以及混凝土层，二者之间通过共节点模拟不同构件不同材料的共同作用。

边缘构件采用一维单元模拟，软件自动将边缘构件钢筋等面积转化为箱型截面的型钢，分布在墙身的对应位置。对于钢板剪力墙，同样可以采用分层壳单元进行模拟，只是把其中的钢筋层转换为钢板层即可。

L形剪力墙（墙身端部为边缘构件）

SAUSAGE——墙梁

墙梁：墙梁一般用于模拟剪力墙连梁以及转换梁等截面跨高比较小的梁构件，其组成与剪力墙类似采用二维分层壳单元和一维连梁纵筋两部分组合模拟，墙梁低筋和面筋等面积转换为箱型截面进行模型。

SAUSAGE——楼板

楼板：楼板的模拟则较为简单，采用分层壳单元进行模拟即可，钢筋层和混凝土层各司其职。

SAUSAGE—一般连接

一般连接：对于较为复杂的连接构件，例如阻尼器、隔震支座、索等，SAUSAGE也提供了各种不同的连接构件供各种工程使用，对于各种连接构件的物理属性参见《Sausage用户手册》9.4节介绍（打开SAUSAGE主界面按F1）。

小结