联肢剪力墙非线性分析模型研究及数值模拟验证

联肢剪力墙体系由于连梁的存在使得其在地震作用下的非线性行为与实体剪力墙结构相比变得更为复杂。该文改进了基于修正力插值单元（MFBFE）的柔度矩阵,将其作为该体系墙肢和连梁的非线性分析单元;建议了一种对角斜筋配筋方式连梁截面的剪切滞回模型（DCBHShear）,其骨架曲线采用三折线型,包括开裂点、屈服点、极限点公式的确定,卸载、再加载刚度的变化通过剪切位移延性和刚度折减系数控制,捏拢影响由捏拢系数控制。在OpenSees中的单元类和单轴材料类开发改进的MFBFE单元和DCBShear模型,并结合实体剪力墙截面的剪切滞回模型（SWShear）和OpenSees中已有的单轴材料Steel02、Concrete02分别对两个四层1∶3缩尺的联肢剪力墙试件建模和非线性分析,给出了OpenSees框架下改进后的MFBFE单元调用这些单轴材料的实现方式。分析结果与试验结果对比显示该方法成功预测了两个试件的初始刚度、峰值力以及滞回耗能,具有较高的精度。     

连梁骨架曲线与滞回特性研究

连梁作为剪力墙的主要耗能构件,对结构在罕遇地震作用下的抗震性能具有很大影响。该文主要着眼于连梁在往复荷载作用下的受力特点与极限变形能力,对国内外47个连梁模型试验结果进行较为深入的分析。连梁的破坏形态与其配筋形式密切相关。受到混凝土交叉裂缝以及钢筋滑移等影响,平行配筋连梁的滞回曲线捏拢严重。对于小跨高比连梁,通过配置对角斜筋或综合配筋等方式,可改善连梁的耗能性能。该文引入弯矩-变形角表征连梁内力与变形的关系,可以综合考虑弯曲变形、剪切变形、混凝土开裂以及钢筋滑移等因素的影响。连梁最大变形角与跨高比、配箍特征值和剪箍比的相关性分析结果表明,配筋形式对连梁极限变形能力的影响不大。基于连梁在往复荷载作用下试验结果得到连梁的标准骨架曲线,与我国相关设计规范对连梁的要求保持一致,便于在实际中工程应用。通过假定卸载刚度与加载刚度相同、滞回曲线包裹面积相等的方法,确定滞回曲线的捏拢控制参数,得到的连梁简化滞回曲线与试验结果符合良好。     

基于纤维模型的型钢混凝土组合剪力墙滞回性能分析

为更深入研究型钢混凝土剪力墙的抗震性能,在已有该类剪力墙滞回性能试验结果基础上,采用OpenSees软件中非线性纤维梁-柱单元进行低周往复加载的数值模拟,通过直接在截面层次定义非线性剪切恢复力方法模拟纤维截面的抗剪。计算结果与试验结果总体吻合较好,表明该纤维模型法能较好模拟型钢混凝土剪力墙的抗剪承载力、捏缩效应及刚度退化。该方法可为此类结构体系的弹塑性分析提供参考。     

带剪切连梁的双柱式桥墩抗震性能分析方法与试验验证

在带剪切连梁的双柱式桥墩拟静力试验研究基础上,该文建立了带剪切连梁的双柱式桥墩的集中塑性铰和纤维单元分析方法并进行了抗震性能分析,比较分析了各模型的墩柱剪力-位移滞回曲线及其骨架曲线与耗能能力、剪切连梁滞回曲线及其耗能能力等性能参数。结果表明:采用集中塑性铰和纤维单元分析方法预测的抗震性能与试验结果吻合较好,且两种分析方法能合理反映桥墩最大荷载后的强度下降、刚度退化和耗能水平下降等现象,表明该方法是分析带剪切连梁的双柱式桥墩抗震性能的有效可靠方法。     

剪力墙非线性分析单元MFBFE的理论及开发

纤维单元以其单元自身的优点被广泛使用于梁柱构件的非线性分析中,对于剪力墙构件,由于纤维单元采用平截面假定,忽略单元的截面剪切变形,会造成很大的误差。该文对基于力插值的纤维单元进行修正,将其引入到剪力墙构件的分析中,介绍了考虑截面剪切变形的修正基于力插值纤维单元(MFBFE)和材料单轴本构的形成,给出单元在OpenSees平台上的开发过程,特别是迭代过程中的非线性分析算法和OpenSees框架下单元和材料本构的实现方式。通过实例分析对MFBFE的应用效果进行检验,得到了两组6片剪力墙的水平低周往复模拟数据,与试验结果对比,可以认为试件模拟结果中各项抗震性能指标均与试验值相接近,单元分析精度较高。     

钢管混凝土框架-RC剪力墙混合结构滞回性能分析

为了研究带钢管混凝土边柱钢筋混凝土(RC)剪力墙的抗震性能,在其他研究者完成的带钢管混凝土边柱RC剪力墙和普通钢筋混凝土剪力墙滞回性能试验结果的基础上,采用开源非线性分析程序OpenSees平台中的非线性纤维模型对其进行了低周往复试验的数值模拟,通过直接在截面层次定义非线性剪切恢复力的方法来模拟纤维截面的抗剪。计算结果与实测结果总体吻合较好,研究表明：这种考虑剪切效应的纤维模型法能够较好的模拟该类组合剪力墙的抗剪承载力、捏缩效应以及刚度退化,而且运算效率较高。     

考虑强度和刚度退化及捏拢效应的钢筋混凝土桥墩滞回模型及其参数识别

为了有效地模拟强震作用下桥梁结构的非线性地震反应,需要确定钢筋混凝土（RC）桥墩非线性力-位移滞回关系。基于Bouc-Wen模型,给出了一种考虑RC桥墩强度和刚度退化以及捏拢效应的改进非线性滞回模型,确定了影响该滞回模型的控制参数,并在Matlab/Simulink里实现对RC桥墩各种破坏模式非线性滞回性能预测。同时,通过对1/3比尺的RC桥墩分别在压弯、扭转和弯剪作用下的往复荷载试验研究,试验得到的力-位移关系滞回曲线与本文提出的改进滞回模型预测结果吻合较好,验证了本文提出改进模型的正确性和有效性。并采用汶川地震波对绵州市回澜立交桥匝道桥的RC桥墩的滞后性能进行了数值模拟,分析结果和桥墩的震害一致,证实了采用本文提出的改进滞回模型可以较准确的预测RC桥墩在强震作用下的非线性滞后性能。在此基础上,运用无迹卡尔曼（UKF）方法对Bouc-Wen模型进行参数估计,模拟结果和误差分析表明,该方法能够精确的估计出改进的Bouc-Wen模型的参数。     

内置钢板-高延性混凝土组合连梁抗震性能试验研究

为提高钢板与混凝土的协同变形能力,提出采用高延性混凝土(HDC)代替普通混凝土,设计了2个内置钢板-高延性混凝土(HDC)组合连梁与2个内置钢板-混凝土组合连梁对比试件。通过拟静力试验,研究试件的破坏过程、破坏形态、滞回特性、耗能能力及刚度退化等。结果表明:跨高比为1.5的试件均发生剪切破坏,跨高比为2.5的试件均发生剪切黏结破坏;与混凝土组合连梁相比,HDC组合连梁的延性和耐损伤能力均得到明显提高;试件发生剪切破坏时,HDC组合连梁较混凝土组合连梁的极限位移角和累积耗能分别提高了44.4%和83.5%;试件发生剪切黏结破坏时,HDC组合连梁的耗能能力仍有较大幅度提高。根据4个小跨高比组合连梁试验结果,计算得到其设计剪压比为0.48~0.57,明显高于小跨高比连梁的剪压比限值。基于试验结果和受剪机制分析,提出了小跨高比组合连梁的受剪承载力计算公式,其计算值与试验值吻合较好。     

钢筋混凝土纤维梁柱单元实用模拟平台

为精细化模拟钢筋混凝土结构的非线性滞回性能,建立了钢筋混凝土纤维梁柱单元的一种实用模拟平台FENAP,开发了相应的具有钢和混凝土多种单轴本构模型的材料库.FENAP平台可考虑构件刚度和强度退化等损伤效应、轴力和弯矩的多维耦合效应以及箍筋对混凝土的约束效应.分别运用FENAP平台和OpenSees软件模拟了圆形钢墩柱和矩...     

力法非线性梁柱单元的合理单元长度划分

针对目前结构非线性分析中最常用的力法非线性梁柱单元模型,从理论上分析出了能消除其计算失真问题的合理单元长度及对应积分点数量。然后基于OpenSees有限元程序,使用该理论分析结果建立了一组单墩循环推倒试验的数值分析模型,通过加载点力-位移滞回曲线的对比分析和墩底截面曲率滞回曲线的对比分析验证了理论结果的正确性。结果表明:使用力法非线性梁柱单元模型进行结构的非线性数值分析时,其单元长度划分应根据积分点数量确定,确定原则应基于使单元屈服后变形增长的分布长度与塑性铰长度相等进行计算;在实际使用中,可利用等效塑性铰长度计算积分点数量与单元长度的关系,初步确定单元划分的合理长度;在保证单元长度与积分点数量的对应关系前提下,力法非线性单元的积分点数量越多,计算结果越稳定。     

基于软化拉-压杆模型的小跨高比钢板-混凝土组合连梁受剪承载力分析

钢板-混凝土组合(PRC)连梁由于内嵌钢板的作用可显著提高连梁的抗剪承载力和延性耗能能力,但目前对其受剪承载力理论分析研究较少。该文应用软化拉-压杆模型方法对小跨高比PRC连梁进行了受力分析,并结合条带模型,建立了小跨高比PRC连梁受剪承载力分析模型和计算方法,进一步提出了小跨高比PRC连梁受剪承载力简化软化-拉压杆模型计算方法,通过国内外37个小跨高比PRC连梁试验结果对模拟计算建议模型的合理性进行了验证,并与国内外相关规程计算结果进行对比。结果表明:软化拉-压杆模型方法计算值与试验值吻合较好,该方法有明确的力学计算模型,能较为合理的反映跨高比不大于2.5的小跨高比PRC连梁的受剪机理。     

Evaluation of size effect on shear strength of reinforced concrete deep beams using refined strut-and-tie model

This paper reports on development of size dependent shear strength expression for reinforced concrete deep beams using refined strut-and-tie model. The generic form of the size effect law has been retained considering the merits of Siao’s model and modified Bazant’s size effect law using the large experimental data base reported in the literature. The proposed equation for predicting the shear strength of deep beams incorporates the compressive strength of concrete, ratios of the longitudinal and the web reinforcement, shear span-to-depth ratio and the effective depth.     

Reddy高阶组合梁的非线性有限元分析

该文基于Reddy高阶梁理论,提出了小变形双层组合梁的隐式运动学假定;应用拉格朗日乘子法,将该隐式关系引入到组合梁的最小势能原理,得到了考虑各子梁和粘结滑移层非线性材料特性的高阶组合梁非线性位移法有限单元,且该单元可以容易地转化为非线性Timoshenko和Euler-Bernoulli组合梁有限单元。随后,该研究分别应用提出的Reddy、Timoshenko和Euler-Bernoulli组合梁有限单元对双跨连续钢-混凝土组合梁进行了准静力分析,考察剪切效应对组合梁构件的挠度、粘结层滑移和截面应力的影响,且参数分析了组合梁的跨高比对剪切效应的影响。参数分析表明:短粗组合梁结构往往表现出显著的剪切效应,Newmark假定不再适用。     

基于Timoshenko梁理论的钢-混组合梁动力刚度矩阵法

基于Timoshenko梁理论提出了适用于分析钢-混组合梁自振特性的动力刚度矩阵法,该计算模型中考虑了钢-混结合面剪切滑移、剪切变形和转动惯量的综合影响。动力刚度矩阵推导过程中未引入近似位移场或力场,因此,计算结果是准确的。与其他Timoshenko梁模型最大的不同是假设混凝土子梁和钢梁分别具有独立的剪切角,这个假设更加符合组合梁的实际运动,因此,计算结果更加准确。与已发表文章中的试验梁频率计算结果作对比分析;并讨论了不同剪力键刚度、跨高比时,剪切变形和转动惯量对钢-混组合梁自振频率的影响。结果表明:相对于已有的Euler-Bernoulli组合梁、子梁转角相同假设的Timoshenko组合梁模型,文中计算方法具有更高的计算精度,尤其是对于高阶频率;频率越高、剪力键刚度越大或跨高比越小,Euler-Bernoulli组合梁模型计算结果误差越大;对于1阶、2阶和3阶频率,高跨比分别大于10、18和25后,Euler-Bernoulli组合梁模型计算结果误差小于5%。     

锈蚀钢筋混凝土梁抗剪承载力计算的概率模型

该文针对锈蚀钢筋混凝土（RC）梁抗剪承载力计算的传统确定性模型所存在的缺陷,研究建立了锈蚀RC梁抗剪承载力计算的概率模型。首先综合考虑钢筋锈蚀对箍筋屈服强度、配筋率、配箍率、临界斜裂缝倾角、梁有效抗剪截面积等重要因素的影响,结合修正压力场理论和考虑剪跨比影响的临界斜裂缝倾角模型,建立了锈蚀RC梁抗剪承载力计算的确定性模型;然后综合考虑客观不确定性和主观不确定性的影响,结合贝叶斯理论和马尔科夫链蒙特卡洛（MCMC）法,建立了锈蚀RC梁抗剪承载力计算的概率模型;最后通过与试验数据和传统确定性抗剪承载力计算模型的对比分析,验证了该概率模型的有效性和适用性。分析结果表明,所建立的概率模型不仅可以合理描述锈蚀RC梁抗剪承载力的概率分布特性,而且可以校准传统确定性抗剪承载力模型的计算精度和置信水平,具有良好的有效性和适用性。     

Energy absorption evaluation of reinforced concrete beams under various loading rates based on particle swarm optimization technique

This study proposes an energy absorption model for predicting the effect of loading rates, concrete compressive strength, shear span-to-depth ratio, and longitudinal and transverse reinforcement ratio of reinforced concrete (RC) beams using the particle swarm optimization (PSO) technique. This technique avoids the exhaustive traditional trial-and-error procedure for obtaining the coefficient of the proposed model. Fifty-six RC slender and deep beams are collected from the literature and used to build the proposed model. Three performance measures, namely, mean absolute error, mean absolute percentage error and root mean square error, are investigated in the proposed model to increase its accuracy. The design procedure and accuracy of the proposed model are illustrated and analysed via simulation tests in a MATLAB/Simulink environment. The results indicate the minimal effect of swarm size on the convergence of the PSO algorithm, as well as the ability of PSO to search for an optimum set of coefficients from within the solution space.     

新型钢桁架连梁的抗震性能试验研究

通过对8个钢组合桁架连梁的伪静力试验,初步了解了组合连梁的破坏特点、抗剪承载力、变形能力、滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能、刚度退化以及适宜采用的桁架形式等。试验结果表明：在地震作用下,设交叉腹杆桁架比无交叉腹杆的桁架连梁有更大的抗剪承载力、更好的延性和耗能能力;较小跨高比、较大刚度的试件表现出在承载能力方面具有相对优势;试验连梁试件根部节点采用预埋钢板或弦杆直接埋入这两种设计方案均可行,便于施工维修。钢桁架连梁具有抗震所需的高延性和良好塑性耗能能力