基于ABAQUS纤维梁单元的钢筋混凝土柱受力破坏全过程数值模拟

合理、准确地模拟钢筋混凝土梁柱构件的非线性及断裂破坏行为,对于进行钢筋混凝土框架结构在强震作用下的倒塌破坏机制研究具有重要的意义。基于有限元软件ABAQUS的显式求解模块Explicit,研究了钢筋混凝土梁柱构件纤维梁单元的构型及其单元消除技术,构建了包含材料破坏准则的钢筋、混凝土单轴本构关系,并利用用户材料接口VUMAT编制了相应的计算子程序。为验证上述方法的合理性和正确性,本文对轴压与侧向往复加载下钢筋混凝土柱构件的受力破坏全过程进行了数值模拟。计算结果表明:采用单元消除(杀死)可以简单、有效地实现有限单元法对于梁柱构件断裂破坏过程的模拟;基于纤维梁单元构建的材料单轴本构关系和破坏准则能够准确、细致地描述钢筋混凝土柱在荷载作用下的非线性性能发展、构件截面的渐进破坏过程以及残余构件的运动状态;对于非线性性态发展较为强烈的结构构件,考虑材料失效的模拟分析结果更为合理、可信。该方法可用于钢筋混凝土框架结构在强震下倒塌全过程的模拟分析。     

采用纤维梁单元分析钢-混凝土组合结构地震反应的应用

将用于钢-混凝土组合结构地震反应分析的纤维梁单元应用于各种类型构件的非线性分析中,包括普通钢筋混凝土构件（钢筋混凝土梁、钢筋混凝土柱和钢筋混凝土受弯剪力墙）、钢-混凝土组合梁构件（承受正、负弯矩的简支组合梁、连续组合梁和往复荷载作用下的组合梁）以及钢管混凝土构件（圆形、方形以及矩形轴心受压短柱构件、纯弯构件、压弯构件和往复荷载作用下的压弯构件）,数值模拟结果和试验结果均吻合良好,证明了该模型具有良好的精度以及广泛的适用性。通过对关键截面关键纤维的应力-应变发展过程进行分析,对这些构件的内在受力机理和破坏规律进行了深入的讨论。经过验证可知,开发的纤维梁单元不仅能充分兼顾准确性、通用性以及高效性,同时还具备求解速度快、数值稳定性好以及前后处理强大方便的特点,为组合结构体系的地震反应分析提供了可靠的手段。     

钢筋混凝土柱动力滞回性能两尺度数值模拟

为提高钢筋混凝土柱在快速循环加载下的动力滞回性能数值模拟计算效率并反映局部破坏特征,对通用有限元分析程序ABAQUS进行二次开发,编写了适用于三维纤维梁单元的混凝土和钢筋本构模型程序,在实现纤维梁单元和实体单元界面连接变形协调的基础上,建立了由三维实体单元和纤维梁单元组成的两尺度有限元模型。为了比较计算精度和效率,分别建立了试件的三维纤维梁单元模型和三维实体单元模型。分别对3种模型进行往复荷载作用下考虑混凝土材料应变率效应的钢筋混凝土柱动力滞回性能数值模拟,将两尺度模型的计算结果与试验结果进行比较。结果表明:所开发的材料本构模型程序以及两尺度模型能较好地反映钢筋混凝土柱在快速循环加载下的承载能力及滞回性能;所建立的两尺度模型既可节约计算成本,又能实现钢筋混凝土柱试件关键部位的精细化分析。     

大跨、高层结构动力弹塑性和倒塌分析(Ⅰ):原理、MSC.MARC子程序开发与验证

基于钢和混凝土静态、动态本构模型和纤维梁基本原理,开发了直接能够与MSC.MARC主程序保持数据相互调用的子程序(包括材料应变率效应、被动控制、主动控制与单元生死判断)。主要涉及到材料的应变率效应,该子程序不限于只考虑静态本构模型,还考虑了动态本构模型以进一步考虑结构在动力作用下应变率因素对结构反应的影响,可结合单元生死子程序用于结构在动力作用下的弹塑性和倒塌分析。最后,将编制的应变率子程序应用于钢筋混凝土构件的弹塑性分析,并与已有试验结果对比,说明了该子程序的可靠性和准确性,同时也认为有必要考虑应变率因素对结构反应的影响。     

钢筋混凝土构件动力加载试验数据库

钢筋混凝土结构在地震作用下会产生应变率效应,受该效应影响,结构的抗震性能将产生变化。因此,在对钢筋混凝土结构进行抗震性能分析及设计时应考虑应变率效应的影响。对国内外已有研究的钢筋混凝土构件在不同加载速率下的相关试验进行力学模型等效和试验数据处理,分析了钢筋混凝土构件在不同加载速率下力学性能的一般变化趋势,并以此为基础建立了钢筋混凝土构件动力加载试验数据库,该数据库界面友好、检索方便,包含了钢筋混凝土梁、柱、节点和剪力墙构件的数据。     

基于高效精细化连梁计算单元的高层结构核心筒地震行为模拟

钢筋混凝土联肢剪力墙和核心筒在多高层结构体系中有着广泛应用。本文基于所开发的用于钢筋混凝土连梁地震反应分析的考虑非线性剪切的纤维梁单元,结合常规不考虑非线性剪切的纤维梁单元和分层壳单元,在通用有限元软件MSC.MARC(2007r1)平台上建立了一种新的联肢剪力墙和核心筒分析模型。模型分别采用所开发连梁单元、分层壳单元和常规纤维梁单元模拟钢筋混凝土连梁、剪力墙和边缘约束构件,具有高效、准确、建模方便的特点。首先利用相关联肢墙拟静力试验验证模型的准确性。随后对一31层高的核心筒结构进行地震反应模拟,重点对地震激励过程中核心筒内各处连梁的受力规律进行了详细分析,并与采用分层壳单元的计算模型进行了对比。本文提出的联肢剪力墙、核心筒计算模型为基于通用有限元软件平台的高层结构体系弹塑性分析提供了一种新的工具。     

混凝土梁柱构件基于截面纤维模型的弹塑性分析

采用了弹塑性纤维单元模拟钢筋混凝土梁、柱杆件,通过材料应力-应变本构关系对截面动态积分,直接得到构件刚度及恢复力特性,提出了适用于该模型的计算方法和相应的钢筋和混凝土材料单轴应力-应变本构关系。并应用通用有限元软件ABAQUS对钢筋混凝土悬臂柱及钢筋混凝土框架进行了拟动力反复加载计算,并与试验结果进行对比分析。     

基于ABAQUS显式分析梁单元混凝土材料模型开发及应用

为准确合理模拟钢筋混凝土构件在大震作用下的地震反应,利用大型通用有限元软件ABAQUS提供的用户材料子程序VUMAT接口,开发了能够用于显式分析的梁单元混凝土材料本构模型。讨论了适用于ABAQUS显式分析的钢筋混凝土构件梁单元构建方法及求解拟静力和动力问题所采用的技术措施。利用所开发的材料模型,通过动力显式分析对大量试验进行了非线性数值模拟分析,并与试验结果进行比较,验证了本构模型和建模方法的可靠性。结果表明,基于ABAQUS软件所开发的混凝土材料模型具有较高的精度和较为广泛的适用性,能够较精确地模拟钢筋混凝土构件在弯矩及弯矩和轴力共同作用下的非线性行为,可以作为下一步研究的基础。     

转动裂缝模型在钢筋混凝土构件非线性剪切分析中的应用

基于钢筋混凝土转动裂缝模型,应用平面膜单元对钢筋混凝土构件进行全过程非线性剪切分析。通过选择材料单轴本构、总结复杂的平面应力状态、归纳三种主应变空间下的主应变状态及其刚度矩阵共轭项计算方法,改善平面膜单元在有限元分析中的数值稳定性。选取弯-剪作用下钢筋混凝土梁与压-弯-剪作用下剪力墙试验建立有限元模型进行对比验证,试验实测与有限元分析结果吻合良好。对比结果表明,全面细致地考虑可能出现的各种应力状态,依据三种主应变空间下的主应变状态及其刚度矩阵计算方法,可以得到较好的有限元分析的数值稳定性和精度,基于转动裂缝模型的平面膜单元为压-弯-剪作用下的钢筋混凝土构件的全过程非线性分析提供了有效的分析途径。     

火灾下温度对钢筋混凝土的性能影响分析

本文通过火灾下温度对钢筋混凝土材料性能影响分析了钢筋和混凝土材料受温度影响时的强度变化,运用计算实例分析了温度应力对混凝土梁应力-应变本构关系的理论数据,并应用ANSYS软件对钢筋混凝土梁构件的模拟分析了受火灾影响在高温的作用下的应力-应变本构特性,结果证明在火灾下材料性能受温度升高影响后构件强度的下降,温度变化产生温度应力,作用于构件并引起构件的整体失稳。希望能为今后研究提高钢筋混凝土结构抗火性能提供参考。     

不同配筋率钢筋混凝土柱应变率效应

混凝土是一种率敏感性材料,正确把握应变率效应对钢筋混凝土构件在强震等动力荷载下力学性能的影响,对结构抗震和抗风设计至关重要。采用CEB规范建议的考虑混凝土应变率效应的动力本构关系,运用纤维模型对钢筋混凝土柱在不同加载速率下的动力性能进行了数值模拟。对4个钢筋混凝土柱构件的快速加载试验的试验结果与模拟结果进行比较,结果表明所建立的纤维单元模型能够较好预测混凝土柱恢复力特性,验证了基于动力本构的纤维单元模型的有效性。基于此模型,研究了不同纵向配筋率和体积配箍率对钢筋混凝土柱动力性能的影响,结果表明纵向配筋率和体积配箍率对动力性能的影响呈现出不同的特征。     

Theory of seismic response analysis of steel-concrete composite structures using fiber beam elements

通过大型通用有限元程序MSC.MARC(2005r2)二次开发将纤维截面模型和基于位移的无滑移分布塑性铰梁单元相结合,得到了一种用于钢-混凝土组合结构地震反应分析的纤维梁单元。该单元在兼顾模型的准确性、通用性以及高效性的同时,具有较优的求解效率、数值稳定性以及前后处理速度。根据工程中常用组合截面的特点提出了组合截面的定义方式及其纤维离散过程,并给出了截面本构关系的求解流程。分析了混凝土、钢材以及钢筋三种材料的单轴本构关系,混凝土材料模型能反映普通、高强以及约束混凝土的不同力学特性,并在已有的考虑单次加卸载强度退化模型的基础上发展了能够考虑多次加卸载强度退化行为的混凝土滞回准则,从而使模型更符合地震作用下组合构件中混凝土材料的实际复杂非线性行为,钢材和钢筋模型能较合理地考虑往复荷载作用下的包兴格效应。     

强震作用下钢筋混凝土结构的数值模拟

强震作用下建筑结构的抗倒塌能力是基于性能抗震设计的核心目标,故对建筑结构在强震作用下的复杂非线性行为特别是倒塌破坏模式进行模拟和预测对于研究建筑物的安全性以及评估地震损失有重大意义。基于目前结构数值模拟的最新研究进展,利用大型通用有限元分析软件MSC.MARC平台,提出可用于钢筋混凝土框架剪力墙结构地震响应分析的弹塑性数值分析模型,并通过一个实际算例演示该分析模型在模拟RC框剪结构强震作用下倒塌过程,表明其可用于RC框剪结构复杂抗震非线性行为的模拟和预测     

Progressive collapse performance analysis of precast reinforced concrete structures

In this paper, the progressive collapse performance analysis of precast reinforced concrete (RC) structures is performed. A numerical simulation framework for precast RC structures is developed on the basis of the OpenSEES software, where the fiber frame element is used for beam and column type members and Joint2D element is used for the beam‐to‐column connections. The conjugated material models are then introduced, and a min–max failure criterion is imposed on the original models to reflect the steel fracture and concrete crushing when the structure is undergoing progressive collapse. In addition, to overcome the computational difficulties arisen from progressive collapse behavior, two enhanced nonlinear solutions , that is, the consistent quasi‐Newton algorithm and the explicit KR‐α algorithm, are employed, respectively, for static and dynamic analysis. A 10‐storey prototype precast RC structures is designed to verify the developed numerical framework, and the progressive collapse resisting mechanism of the structures is investigated through both static pushdown analysis and dynamic column‐removal analysis. Finally, influences of some typical parameters in precast RC structures on their progressive collapse performance are studied.     

基于结构精细化模拟分析平台的弯剪纤维单元模型

为模拟钢筋混凝土柱在轴力、剪力和弯矩耦合作用下的非线性滞回特性,利用显式中心差分法,建立一种基于显式算法的弯剪纤维单元模型,并引入到结构精细化模拟分析（RSAPS）平台中。该模型基于Timoshenko梁理论,材料模型选用基于修正斜压场理论（MCFT）的二维钢筋混凝土本构模型。应用RSAPS平台分别模拟往复荷载作用下发生弯曲、弯剪和剪切破坏的钢筋混凝土柱的滞回性能,并将分析结果与试验和未考虑剪切变形的纤维单元模型模拟结果进行对比。结果表明：对于发生弯曲破坏的构件,由于剪切变形较小,未考虑剪切变形的纤维单元和弯剪纤维单元均可以较好地模拟构件的滞回性能;而对于发生弯剪破坏和剪切破坏的构件,采用未考虑剪切变形的纤维单元模型,会高估构件的初始刚度和耗能能力,也会高估其受剪承载力;而所提出的弯剪纤维单元模型能较好地模拟构件的刚度和承载力退化,同时,也能较好地模拟滞回曲线中的捏缩现象,模拟结果与试验结果吻合较好。     

Analytical Model for Viscous Wall Dampers

By now, many civil engineering researchers have extensively studied the application of earthquake energy dissipation systems in seismic‐resistant buildings. Earthquake energy dissipation systems play an important role in enhancing the sustainability of structures against seismic excitation. Frame buildings are strengthened by installing damper devices as supplemental structural members. This article presents the finite‐element‐based development of an analytical model for a viscous wall damper (VWD) device, an alternative to other earthquake energy dissipation systems, which can diminish the effect of earthquakes on structures and improve the seismic performance of multistory buildings subjected to ground motion. The constitutive law of VWDs has been formulated and integrated to develop a finite element model of VWD compatible with the reinforced concrete (RC) structure analytical model. Then, the finite element algorithm has been developed for inelastic analysis of RC buildings equipped with VWD devices capable of detecting damage to both structural members and damper connections under dynamic loading. Based on the developed system, the special finite element program was codified and verified by applying it to a real model of a RC building with supplementary VWD devices. Influence of VWDs on seismic performance of the RC building during earthquake excitation was evaluated. The proposed analytical model for VWD is verified by using experimental test data and analysis result proved that this energy dissipation system succeeds by substantially diminishing and dissipating a structure's induced seismic responses. Also the parametric study indicated that the damping coefficient is very effective on performance of VWD.