型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)宏觀有限元的方法研究.pdf

1、型鋼混凝土(SRC)組合結(jié)構(gòu)以其剛度大、承載能力高、抗震性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn),成為高烈度設(shè)防地區(qū)高層、大跨、重載及高聳結(jié)構(gòu)的首選結(jié)構(gòu)形式。鑒于試驗(yàn)采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)普遍存在較大離散性且在數(shù)量上不具備統(tǒng)計(jì)意義,現(xiàn)階段采用理論分析和數(shù)值方法相結(jié)合對(duì)相關(guān)科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行探究不失為一種可行的研究手段?？紤]到基于微觀單元的數(shù)值模擬建模過(guò)程較為復(fù)雜,加之計(jì)算成本較高且對(duì)計(jì)算機(jī)硬件有著高標(biāo)準(zhǔn)需求,難以對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)非線性力學(xué)行為進(jìn)行有限元數(shù)值分析。借助宏觀單元的

2、有限元數(shù)值模擬在確保計(jì)算精度的前提下可實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算成本的有效控制,得到了廣大科研工作者的青睞。
　　為滿足SRC框架結(jié)構(gòu)宏觀力學(xué)行為研究的需要,論文基于纖維單元模型理論并結(jié)合課題組前期關(guān)于型鋼-混凝土間粘結(jié)滑移性能試驗(yàn)研究成果,在纖維層面上通過(guò)修正鋼纖維的應(yīng)變以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料間粘結(jié)滑移的數(shù)值體現(xiàn),使其更為精確地反映構(gòu)件強(qiáng)非線性力學(xué)行為,同時(shí)提出了模擬SRC節(jié)點(diǎn)剪切變形的剪切塊模型,并結(jié)合現(xiàn)階段最新2D單元理論,從而構(gòu)建了SRC節(jié)點(diǎn)單元,

3、最終基于OpenSEES軟件平臺(tái)建立了SRC框架宏觀有限元計(jì)算模型,取得了理想的驗(yàn)證效果。主要研究?jī)?nèi)容及研究結(jié)論有:
　　1.分別采用宏觀單元和微觀單元對(duì)SRC柱抗震性能進(jìn)行數(shù)值模擬分析,并結(jié)合試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),探討了宏觀單元和微觀單元有限元數(shù)值模擬在單元原理、材料本構(gòu)、網(wǎng)格劃分、加載控制及模擬結(jié)果等方面的優(yōu)缺點(diǎn),提出了基于宏觀單元的SRC梁-柱構(gòu)件精細(xì)化建模方法,為深入進(jìn)行SRC梁-柱宏觀有限元理論研究奠定了基礎(chǔ)。
　　2.本

4、課題組前期的研究成果表明,SRC構(gòu)件在粘結(jié)滑移發(fā)生后,構(gòu)件的承載力有較大改變。本文基于纖維單元模型理論,根據(jù)課題組前期提出的型鋼-混凝土粘結(jié)滑移本構(gòu)模型及粘結(jié)滑移沿截面高度的變化規(guī)律,提出在纖維層面上通過(guò)修正鋼纖維應(yīng)變的方法以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料間粘結(jié)滑移的數(shù)值體現(xiàn),該方法的意義在于精確的反映SRC構(gòu)件非線性力學(xué)行為。
　　3.為洞悉SRC節(jié)點(diǎn)內(nèi)部應(yīng)力的傳遞模式與分布情況,通過(guò)輔以微觀有限元模擬以彌補(bǔ)試驗(yàn)研究無(wú)法觀察節(jié)點(diǎn)內(nèi)部應(yīng)力分布形態(tài)的不

5、足,對(duì)SRC平面框架涉及的中節(jié)點(diǎn)、邊節(jié)點(diǎn)、角節(jié)點(diǎn)及屋面中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行剪切變形分析,結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)內(nèi)部應(yīng)力主要分布在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)型鋼腹板、型鋼翼緣內(nèi)部混凝土斜壓短柱及核心區(qū)外箍筋約束的混凝土斜壓短柱區(qū)域,為建立剪力傳遞公式提供了分析依據(jù)。
　　4.提出用于模擬SRC節(jié)點(diǎn)剪切變形的剪切塊模型,并結(jié)合現(xiàn)階段最新2D節(jié)點(diǎn)單元理論以構(gòu)建SRC節(jié)點(diǎn)單元。根據(jù)SRC節(jié)點(diǎn)構(gòu)造特點(diǎn)及內(nèi)部應(yīng)力傳遞模式與分布情況,認(rèn)為SRC框架梁-柱節(jié)點(diǎn)剪力應(yīng)由節(jié)點(diǎn)核心區(qū)型鋼

6、腹板、內(nèi)部斜壓桿及外部斜壓桿三個(gè)部分承擔(dān),結(jié)合主要建筑材料的非線性本構(gòu)模型,提出了SRC節(jié)點(diǎn)剪力傳遞公式,同時(shí)輔以試驗(yàn)得到的斜壓桿寬度調(diào)整系數(shù),最終建立了用于模擬SRC節(jié)點(diǎn)剪切變形的剪切塊模型,隨即利用C++計(jì)算機(jī)語(yǔ)言將剪切塊模型編譯為計(jì)算程序,以供2D節(jié)點(diǎn)單元程序調(diào)用,實(shí)現(xiàn)了SRC節(jié)點(diǎn)單元的數(shù)值體現(xiàn)。
　　5.將纖維單元精細(xì)化模擬SRC梁-柱構(gòu)件的方法與SRC梁-柱節(jié)點(diǎn)單元相結(jié)合,基于OpenSEES軟件平臺(tái)建立SRC框架宏觀有