基于OpenSEES的RC梁柱组合件低周反复试验数值模拟

梁柱节点是框架结构的关键部位,在地震作用下节点核心区的非弹性变形将导致节点失效甚至结构倒塌。基于某钢筋混凝土框架中间层中节点拟静力试验,利用OpenSEES分析平台,建立了宏观单元分析模型。基于节点区的三种失效机制,采用核心区剪切块、钢筋滑移和交界面剪切三分量组合的方法来模拟节点的二维非弹性性能。用修正压力场理论对核心区剪切块的骨架曲线进行标定。数值模型采用多点位移同步控制的加载模式,用罚刚度法施加位移边界条件。结果表明:经参数标定的数值模型较好地模拟了捏拢效应、加卸载路径和强度退化;但由于节点模型中未考虑楼板,导致梁端底部钢筋较早屈服,反向加载骨架较试验值低。     

梁端铰型受控摇摆式钢筋混凝土框架抗震性能振动台试验研究

受控摇摆式钢筋混凝土框架(CR-RCF)采用梁柱铰接节点,后张预应力钢筋提供结构整体恢复力,并采用层间阻尼器耗散地震能量、控制结构整体位移。通过模拟地震振动台对比试验,研究受控摇摆式钢筋混凝土框架的抗震性能。介绍了CR-RCF结构的摇摆机制及摇摆节点的构造形式,设计了受控摇摆式钢筋混凝土框架和常规框架两个振动台试验模型,输入El Centro地震波,得到了不同地震动峰值加速度下结构的动力响应,对比分析了两个模型的振动台试验结果。结果表明：CR-RCF结构较常规框架具有更小的抗侧刚度,故其地震加速度响应更小;CR-RCF结构设置了层间阻尼器耗能装置,地震作用下的结构整体位移得到有效控制;在经历罕遇地震作用后,仅层间阻尼器进入屈服状态,主体框架承重构件保持完好,无任何损伤,表现出优异的“免损伤”特征。     

强度偏心对偏心结构非弹性反应的影响分析

偏心结构在强震作用下进入非弹性反应阶段后,楼层强度分布状态将会对结构扭转耦联反应产生明 显的影响作用。着重对比了不同周期的单层偏心结构受强度偏心的影响程度,以此提出了通过改变楼层强度 偏心距来降低结构非弹性扭转效应的方法,并采用基于有限元柔度法的纤维模型梁柱单元模拟分析了钢筋混 凝土偏心框架的非弹性地震反应,对该控制方法的有效性进行了验证。     

基于梁柱杆件的墙/板宏观模型研究

多次地震震害表明墙和楼板对结构抗震性能有重要影响。为考察地震作用下墙和楼板在结构中的作用规律,弹塑性分析时结构模型中必须对墙和楼板进行合理模拟。针对已有模型的不足,建立基于梁柱杆件的墙和楼板宏观模型-BAC墙板模型,可兼顾墙/板平面内、外的力学性能。模型由若干梁柱杆件组成,各杆件的截面几何参数按刚度等效结合墙或楼板构件的原始几何尺寸确定;材料特性直接采用墙或楼板的材料特性。在弹性阶段,采用BAC墙板模型分别对墙/板构件以及含墙、楼板的二层钢筋混凝土结构进行计算。结果与采用壳单元模型的计算结果比较,二者在动力特性、受力变形等方面均吻合较好。在塑性阶段,分别对单调荷载作用下的砌体填充墙钢筋混凝土平面框架和往复荷载作用下的钢筋混凝土剪力墙进行弹塑性分析。研究构件的破坏特征以及荷载位移关系,将结果与试验进行比较,验证BAC墙板模型在塑性阶段分析的可靠性。     

轻钢框架-支撑结构振动台试验研究

文章主要对轻钢框架-支撑结构模型进行了地震模拟振动台试验研究。模型以方钢管作为模型框架-支撑结构的梁柱,以角钢作为框架柱间支撑,楼板采用新型轻钢楼板,整体结构模型为1∶3缩尺模型,通过测试结构的动力特性,综合评价该结构体系的抗震性能,为该结构体系的实际推广应用做试验分析研究。试验结果表明该种结构具有足够的抗侧力能力,满足规范要求,抗震性能良好,适合在实际工程中推广应用。     

钢筋混凝土梁柱节点区非弹性变形的改进模型研究

节点区非弹性变形包括梁端纵筋黏结滑移和节点剪切变形,对钢筋混凝土梁柱组合体的弹塑性受力特征有明显影响。计算采用的节点区非弹性变形本构模型直接影响结构强震反应有限元分析结果的合理性。在纤维模型的基础上,采用在非线性梁柱单元端部附加零长度截面单元的方法,可简便、有效地模拟节点区非弹性变形。基于39个钢筋混凝土中节点和12个边节点的纵筋滑移和节点剪切角的实测数据的显著性分析及非线性拟合结果,提出了可同时考虑梁端纵筋滑移和节点剪切变形影响的σ^-s_slip-shear本构模型。以4个不同节点参数的梁柱组合体试验为例,对提出的本构模型进行了验证。结果表明：忽略节点区非弹性变形的计算结果明显高估了梁柱组合体的承载力和耗能能力;考虑节点区非弹性变形的计算方法能更准确地模拟梁柱组合体的非弹性受力特征,并能正确模拟随着节点区非弹性变形增大,构件端部的塑性变形向节点区转移的变形特征。     

基于双重高斯积分的钢筋混凝土任意截面梁柱单元模型及应用

精确地建立梁柱单元模型是钢筋混凝土杆系工程结构非线性分析的关键。依据虚位移原理,耦合钢筋混凝土材料非线性和几何非线性,推导出任意形状截面钢筋混凝土梁柱单元模型。单元积分采用沿横截面二维高斯积分和沿梁柱单元长度一维高斯积分的双重高斯积分算法,使钢筋混凝土非线性梁柱单元积分更加简单和精确。应用所提出的梁柱单元模型和单元双重高斯积分方法编制了相应的结构有限元分析程序(STA-D),对13个异形(L形、T形、十字形)截面柱、3榀异形柱框架结构进行非弹性分析,理论分析结果与试验结果吻合较好。     

某混合结构试验模型数值模拟分析

利用ANSYS和ABAQUS对针对某3层混合结构模型试验进行了数值模拟。结构弹性模型采用三维杆系单元模拟结构墙肢与钢框架,并对结构动力特性和弹性动力时程进行分析;结构弹塑性模型采用ABAQUS中的实体单元模拟剪力墙混凝土、空间梁单元模拟钢框架和钢筋,并对结构的弹塑性动力时程进行分析。与试验结果对比分析表明,ANSYS和ABAQUS都能很好的模拟结构弹性阶段的响应过程,并且ANSYS模拟的结果与试验吻合更好;而基于ABAQUS所建立的弹塑性模型能较好模拟试验的加速度和层间位移反应过程,并且能模拟混凝土剪力墙和钢筋笼的塑性损伤发展过程,对结构工程设计具有较大的指导意义。     

考虑柱底纵筋滑移的纤维模型及框架地震反应分析

基于材料本构关系的纤维模型能有效模拟柱在变轴力与双向弯矩耦合作用下的非线性反应,但常规的纤维模型分析方法忽略了纵筋滑移。在纤维模型基础上,采取在非线性梁柱单元端部附加零长度截面单元的方法以模拟杆端纵筋滑移的影响。以钢筋混凝土柱为例,将弯曲转角、滑移引起的固端转角等模拟结果分别与柱在低周反复荷载作用下的试验数据进行对比,校准了该模型化方法。考察了6层钢筋混凝土平面框架的非线性地震反应,研究了底层柱根纵筋滑移对框架整体和局部反应的影响。结果表明,模拟分析的纵筋滑移规律与柱的试验结果相符较好。底层柱根纵筋滑移有增大框架整体非线性地震反应的趋势,并将改变底层柱非线性变形的组成方式,减小其柱端塑性铰区的非线性弯曲变形。     

长周期地震波作用下超高层结构连续倒塌数值模拟

基于ABAQUS软件对某超高层结构在长周期地震波作用下的连续倒塌数值模拟方法进行研究。采用纤维梁单元模拟框架梁和框架柱,采用壳单元模拟钢筋混凝土剪力墙和楼板。基于子程序实现梁单元材料积分点材料的失效用于模拟单元生死,基于混凝土弹塑性损伤本构近似模拟钢筋混凝土剪力墙与楼板的刚度削弱及失效,并采用单元接触考虑倒塌过程中单元之间的碰撞和结构碎片堆积情况。以某实际超高层结构为例,分析了结构的动力特性,并对该超高层结构在长周期地震波作用下的破坏模式和倒塌过程进行了模拟,可为超高层结构地震破坏机理和抗震设计研究提供参考。     

基于纤维梁模型的火灾下多层混凝土框架非线性分析

为分析和模拟多层混凝土框架结构在火灾下的反应规律及其破坏过程,基于建筑结构分析中常用的纤维梁单元,建立了钢筋混凝土梁、柱构件的火灾破坏数值模型。模型将构件截面划分成多个纤维,可以考虑构件截面的不均匀温度场分布以及材料非线性和几何非线性问题。对单层单跨混凝土框架进行火灾反应分析,并与试验结果进行比较,验证了此数值模型的准确性。通过对多层框架进行火灾反应模拟,比较不同火灾场景的模拟结果,分析其反应规律以及破坏过程。结果表明,纤维梁单元模型可以较好地模拟钢筋混凝土结构的受火破坏过程,并且火灾发生的位置不同,结构的破坏机制也不同,一定条件下蔓延的火灾比不蔓延的火灾对多层混凝土框架结构的破坏性更大。分析结果可以为实际结构的防火设计提供参考。     

柔性连接填充墙框架结构模型振动台试验研究

通过对一典型的框架结构1/8整体模型模拟地震振动台试验,测试了模型结构的动力特性、阻尼比及其在7度多遇、7度基本、7度罕遇、8度罕遇烈度地震作用下的加速度和位移反应等,研究了模型结构的破坏机理和破坏模式,运用有限元分析程序对原型结构进行了地震作用下的时程分析,并与试验数据进行了对比分析。对比结果表明,试验与理论分析结果吻合良好。研究得到:该结构体系在7度多遇烈度至设防烈度地震作用下结构自振频率基本不变,结构基本处于弹性阶段;在7度大震作用下,结构自振频率有所下降,最大层间位移角满足规范的弹塑性变形要求;在8度大震作用下,结构局部出现混凝土开裂和压碎现象,但能维持结构不倒塌的工作状态。综合研究结果表明该结构能满足小震不坏、中震可修、大震不倒的抗震设防要求。     

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。     

考虑应变率效应的钢筋混凝土动态纤维梁单元模型

为准确描述钢筋混凝土结构的非线性地震灾变过程，建立了一种基于显式算法可考虑地震作用应变率效应的钢筋混凝土动态纤维梁单元模型，并以材料子程序(VUMAT)的形式嵌入ABAQUS有限元分析平台中。对混凝土、钢筋以及钢筋混凝土柱动态加载试验进行了数值模拟，测试并验证该模型用于钢筋混凝土材料及构件动态性能分析的准确性和有效性。研究结果表明，所提出的钢筋混凝土动态纤维梁单元模型计算精度较高，能够准确并实时反映地震作用下应变率对材料及构件动态性能的影响，可为精确计算钢筋混凝土结构在地震作用下的非线性动力反应提供理论基础。     

配有钢纤维RPC免拆柱模的钢筋混凝土短柱轴压力学性能

为研究配有钢纤维活性粉末混凝土（RPC）免拆柱模的钢筋混凝土短柱的轴压力学性能与钢纤维RPC免拆柱模对核心钢筋混凝土短柱轴压承载力的提高效果,对2根配有不同壁厚钢纤维RPC免拆柱模的钢筋混凝土方形短柱和用于对比的1根普通钢筋混凝土方形短柱进行了轴压试验研究;采用有限元模型对试验结果进行了验证,根据试验结果及有限元分析结果,探讨了配有钢纤维RPC免拆柱模的钢筋混凝土短柱轴压承载力计算方法。结果表明:钢纤维RPC免拆柱模显著提高了钢筋混凝土短柱的极限承载力,且延缓了纵筋的屈服;随免拆柱模壁厚的增加,钢筋混凝土短柱轴向变形随之减小,极限承载力随之提高,延性也相对提高;免拆柱模不但限制了钢筋混凝土短柱在轴向压力作用下的侧向变形,而且间接减小了轴向变形;有限元计算结果与试验结果吻合良好,该计算方法可为工程实践提供参考。     

型钢混凝土组合框架力学性能非线性分析

在充分考虑混凝土损伤、材料非线性及单元类型的基础上,建立了由预应力（非预应力）型钢混凝土梁及角钢混凝土柱构成的型钢混凝土组合框架有限元模型,对其在水平荷载作用下的力学性能进行数值分析及试验对比验证。在此基础上,进一步研究了水平荷载作用下组合框架受力的全过程,并对影响此类框架力学性能的主要因素进行了参数敏感性分析。结果表明:组合框架在梁端和柱底部均出现塑性铰,能实现“强柱弱梁”的破坏机制;随着轴压比增大,水平荷载 位移曲线峰值荷载先增加后减小,峰值荷载对应的位移减小,延性降低;随着长细比增加,结构刚度降低,峰值荷载减小,延性增加。     

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。     

火灾中混凝土与钢筋之间粘结力的模拟

采用非线性程序,模拟火灾中钢筋混凝土结构中混凝土与钢筋之间的粘结机理。通过1个梁的拉拔力试验、1个特定温度下的梁试验和在两种标准火灾中的4个足尺梁试验,证明数值模型的准确可靠性。该模型对火灾中钢筋混凝土构件和结构响应的预测满足精度要求,粘结连接单元也能满足火灾中钢筋混凝土结构3维分析的计算精度和计算效率的要求。结果表明:混凝土与钢筋之间的粘结条件对钢筋混凝土结构的耐火性能有重要影响,尤其当钢筋的温度较高(大于500°C)时。目前使用的火灾中钢筋混凝土结构粘结条件的假设是偏不安全的。     

不同构造措施的砌体填充墙框架结构抗震性能试验研究

为研究设置拉结钢筋、构造柱、水平系梁等不同构造措施的砌体填充墙对框架结构抗震性能的影响,进行了4榀不同构造措施的砌体填充墙框架结构模型和1榀纯框架结构模型在低周反复荷载作用下的对比试验,分析了各试件的破坏特征、滞回曲线、骨架曲线、位移延性、刚度退化、承载力退化和耗能性能等。结果表明：砌体填充墙有效地提高了框架结构的抗侧刚度和承载力,但具有不同构造措施的砌体填充墙框架结构的初始刚度和承载力基本相同;设置构造柱、水平系梁和同时设置构造柱和水平系梁的砌体填充墙框架结构的位移延性和耗能能力得到明显的改善,且其刚度退化较为缓慢。     

框架-嵌入式墙体结构抗震性能研究

为研究框架-嵌入式墙体结构抗震性能,根据原型结构特性与相似理论,设计并制作了相似比为1:3的钢筋混凝土框架-嵌入式墙体结构试验模型,并进行了地震模拟振动台试验,探究此类结构在不同强度、不同种类地震波作用下的动力特性、加速度反应和位移反应等。结果表明:在地震作用初始阶段,框架结构的变形使得墙板与主体框架连接更为紧密,嵌入式墙体的存在使得整体结构刚度增加,随着框架主体结构的损伤,刚度逐渐减小; 加载结束后,结构一层梁端及柱脚处裂缝较为密集,嵌入式墙板四角及插墙凹槽处混凝土出现不同程度的破坏,框架柱插墙凹槽处混凝土损坏较为严重,但墙柱之间仍保持可靠的连接,结构仍保持较好的整体性; 结构各层弹性、弹塑性层间位移角在规范限值以内,结构具有良好的抗震性能; 振动台试验过程中各块墙板间相对振动反应较为明显,在实际工程设计中应对墙角采取构造措施加固,在墙板顶端增设压梁,并在墙板与框架柱凹槽之间增设缓冲带。