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,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。鑒于試驗采集到的試驗數(shù)據(jù)普遍存在較大離散性且在數(shù)量上不具備統(tǒng)計意義,現(xiàn)階段采用理論分析和數(shù)值方法相結(jié)合對相關(guān)科學問題進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)值模擬建模過程較為復雜,加之計算成本較高且對計算機硬件有著高標準需求,難以對大型復雜結(jié)構(gòu)非線性力學行為進行有限元數(shù)值分析。借助宏觀單元的

2、有限元數(shù)值模擬在確保計算精度的前提下可實現(xiàn)對計算成本的有效控制,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)滑移性能試驗研究成果,在纖維層面上通過修正鋼纖維的應變以實現(xiàn)對材料間粘結(jié)滑移的數(shù)值體現(xiàn),使其更為精確地反映構(gòu)件強非線性力學行為,同時提出了模擬SRC節(jié)點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)點單元,

3、最終基于OpenSEES軟件平臺建立了SRC框架宏觀有限元計算模型,取得了理想的驗證效果。主要研究內(nèi)容及研究結(jié)論有:
　　1.分別采用宏觀單元和微觀單元對SRC柱抗震性能進行數(shù)值模擬分析,并結(jié)合試驗實測數(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,提出了基于宏觀單元的SRC梁-柱構(gòu)件精細化建模方法,為深入進行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修正鋼纖維應變的方法以實現(xiàn)對材料間粘結(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)件非線性力學行為。
　　3.為洞悉SRC節(jié)點內(nèi)部應力的傳遞模式與分布情況,通過輔以微觀有限元模擬以彌補試驗研究無法觀察節(jié)點內(nèi)部應力分布形態(tài)的不

5、足,對SRC平面框架涉及的中節(jié)點、邊節(jié)點、角節(jié)點及屋面中節(jié)點進行剪切變形分析,結(jié)果表明節(jié)點內(nèi)部應力主要分布在節(jié)點核心區(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)點剪切變形的剪切塊模型,并結(jié)合現(xiàn)階段最新2D節(jié)點單元理論以構(gòu)建SRC節(jié)點單元。根據(jù)SRC節(jié)點構(gòu)造特點及內(nèi)部應力傳遞模式與分布情況,認為SRC框架梁-柱節(jié)點剪力應由節(jié)點核心區(qū)型鋼

6、腹板、內(nèi)部斜壓桿及外部斜壓桿三個部分承擔,結(jié)合主要建筑材料的非線性本構(gòu)模型,提出了SRC節(jié)點剪力傳遞公式,同時輔以試驗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)點剪切變形的剪切塊模型,隨即利用C++計算機語言將剪切塊模型編譯為計算程序,以供2D節(jié)點單元程序調(diào)用,實現(xiàn)了SRC節(jié)點單元的數(shù)值體現(xiàn)。
　　5.將纖維單元精細化模擬SRC梁-柱構(gòu)件的方法與SRC梁-柱節(jié)點單元相結(jié)合,基于OpenSEES軟件平臺建立SRC框架宏觀有