鋼-混凝土結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)分析方法研究.pdf

1、隨著震害經(jīng)驗的不斷積累，人們逐漸認(rèn)識到地震時的地面運動是多維的，因此將結(jié)構(gòu)簡化成平面模型并只考慮單向地震動作用的彈塑性分析不能全面反映和揭示結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的本質(zhì)。為了正確評估結(jié)構(gòu)的抗震安全性，必須對結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間彈塑性動力反應(yīng)分析。目前可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)三維非線性分析的計算模型主要包括微觀模型和宏觀模型。微觀模型直接用實體或者板殼單元等模擬結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，雖然微觀模型力學(xué)原理清晰，但存在建模難、計算量大，試驗分析校正困難等問題，對于實際復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析

2、完全依賴微觀模型模擬是不現(xiàn)實的。與微觀模型相對應(yīng)的是宏觀模型，宏觀模型具有單元自由度少，計算量小的優(yōu)勢，但卻難以反映結(jié)構(gòu)破壞的微觀機(jī)理。目前宏觀模型作為一種有效的單元分析模型廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的彈塑性地震反應(yīng)分析。宏觀-微觀結(jié)合方法是較有希望解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)彈塑性問題的一種方法。它也是以構(gòu)件作為基本單元，但是在單元內(nèi)部進(jìn)一步劃分子單元，利用某些假定，譬如平截面假定等，來規(guī)定內(nèi)部子單元相互之間的變形協(xié)調(diào)關(guān)系，這些子單元可以遵循不同的本構(gòu)關(guān)系，使單

3、元內(nèi)部復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)得以較好地描述。纖維單元模型和分層單元模型等可以歸結(jié)為這類單元。
　　 為了在計算精度和計算代價之間尋求一個較好的平衡點，目前可利用兩種途徑來解決：①宏、微觀結(jié)合的方法。對于結(jié)構(gòu)中特別重要的構(gòu)件，例如角柱，可以采用較為精細(xì)的微觀模型，而對于那些相對次要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以則采用宏觀模型。②采用柔度法計算。目前，在梁柱單元分析的假定上大多采用的是剛度法，剛度法采用三次多項式的位移插值函數(shù)，當(dāng)構(gòu)件進(jìn)入非線性范圍內(nèi)，其假

4、設(shè)的形函數(shù)與構(gòu)件實際變形差異較大，導(dǎo)致計算所得內(nèi)力分布與實際受力分布間存在重大差異，無法準(zhǔn)確描述構(gòu)件的應(yīng)變軟化和局部強(qiáng)非線性問題。柔度法在單元狀態(tài)確定階段需要相對更多的步驟與過程，但由于其通常能給出真實準(zhǔn)確的形函數(shù)矩陣，因而能更加接近梁柱單元實際受力情況，在理論上有其明顯的優(yōu)越性；并且其最大的優(yōu)點在于僅用一個單元來模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)件就可以達(dá)到相當(dāng)?shù)木龋梢酝瑫r滿足計算精度和計算效率問題。
　　 鑒于宏、微觀模型和柔度法梁柱單元的優(yōu)點

5、，本文對其進(jìn)行了以下幾個方面的研究。
　　 纖維模型作為宏觀模型和微觀模型之間的一種模型，由于其可以很好地考慮彎曲和軸向效應(yīng)的耦合效應(yīng)，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的非線性分析當(dāng)中，但它不能模擬構(gòu)件的剪切效應(yīng)。對于纖維模型中考慮剪切效應(yīng)的模型化方法，國內(nèi)外研究甚少。為此，本文將Timoshenko梁理論與柔度法纖維模型相結(jié)合，推導(dǎo)了單元剛度矩陣，選擇目前較為公認(rèn)的PARK三參數(shù)滯回模型作為剪力-剪切變形本構(gòu)，并利用大型有限元程序

6、ABAQUS通過用戶自定義單元二次開發(fā)接口UEL加以實現(xiàn)，給出了柔度法基于Timoshenko梁理論纖維模型非線性分析方法，最后通過算例驗證了該方法的可靠性和有效性。
　　 柔度法纖維模型和柔度法四折線恢復(fù)力模型在鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究。為了解決高層建筑下部“胖柱”占用空間較大的問題，一些組合柱的形式相繼被提出，如鋼骨混凝土柱、鋼管混凝土柱以及這些柱的聯(lián)合型式。而這些組合柱的計算模型遠(yuǎn)沒鋼筋混凝土柱和鋼柱那樣成熟，為此本文將

7、柔度法纖維模型推廣應(yīng)用于鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)，探討了各參數(shù)對鋼骨混凝土柱彎矩-曲率的影響；綜合鋼骨混凝土的受力特性和現(xiàn)有鋼骨混凝土的恢復(fù)力模型，給出了鋼骨混凝土壓彎構(gòu)件四折線恢復(fù)力模型并規(guī)定了詳細(xì)的滯回規(guī)則，將其與柔度法相結(jié)合，并通過用戶自定義單元UEL 將其嵌入到通用有限元程序ABAQUS中，給出了柔度法基于四折線鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的非線性分析方法。通過對柔度法纖維模型和柔度法四折線恢復(fù)力模型的算例分析，驗證了柔度法纖維模型和柔度法四折線恢復(fù)力

8、模型在模擬鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析方面具有一定的精度。
　　 基于塑性的屈服面模型的研究。作為空間恢復(fù)力模型中基于塑性的屈服面模型自被提出以來，由于演變過程較為復(fù)雜，未在實際工程中得到廣泛應(yīng)用，并且以往的屈服面模型都是基于剛度法的集中塑性假定模型。為了推廣該方法在結(jié)構(gòu)非線性分析中的應(yīng)用，本文將其與柔度法相結(jié)合，并通過用戶自定義單元UEL 將其嵌入到通用有限元程序ABAQUS中，給出了柔度法基于屈服面模型的結(jié)構(gòu)非線性分析方法，通過

9、算例驗證了該方法的可靠性和有效性。
　　 對柔度法纖維模型和柔度法屈服面模型的計算效率和計算精度進(jìn)行了對比，將柔度法基于Timoshenko梁理論的纖維模型分析方法和柔度法基于屈服面模型的分析方法相結(jié)合對九層1:6鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)振動臺試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行地震反應(yīng)分析，并在結(jié)構(gòu)頂層位移、加速度、基底剪力、及各層的最大層間位移角等多個方面與試驗結(jié)果進(jìn)行了對比，得出與試驗結(jié)果相一致的結(jié)論。表明本文方法兼顧了計算效率和計算精度，具有