结构动力弹塑性和倒塌分析(Ⅲ)——地震差动作用下输电塔—线体系的弹塑性与倒塌分析

首先,建立SAP2000有限元模型,采用接口程序SAP2ABAQUS生成为ABAQUS有限元模型。然后,明确给出长周期显式动力加载法实现重力作用下静力效果的加载过程,以完成的重力作用下索找形和初始刚度施加,最终实现重力分析与后续地震激励下动力加载的续接。进而,分别计算四类边界条件的结构体系的动力特性,并通过对转化前后模型的构件与结构模态分别进行对比,从而考察SAP2ABAQUS接口程序的转化精度。此外,更新升级自主开发的MEMS_b V2012.8至MEMS_b V2013.5,并生成多点地震动。最后,通过ABAQUS主程序中开发的子程序进行弹塑性和倒塌分析,考虑大变形和差动输入。结果表明:(1)从实际工程角度验证了所开发接口程序SAP2ABAQUS的转化准确性与高效性;(2)从实际工程角度验证了所开发子程序的可行性与现实可靠性;(3)长周期动力加载法实现静力重力加载过程,理论严格合理、现实可行,克服了隐式静力重力方式加载与显式动力分析不续接问题;(4)从模态与理论分析两方面说明以四塔三线体系作为研究对象的必要性和可信性;(5)地震动的一致与差动输入对于构件塑性铰的出现与发展分布有显著影响,进一步说明多点地震动对于此类结构体系的地震弹塑性反应的必要性。     

结构动力弹塑性与倒塌分析(Ⅰ)——滞回曲线改进、ABAQUS子程序开发与验证

详述并明确了钢材静态损伤滞回模型中3种类型加卸载路径,重点改进了混凝土滞回规则中再加载路径拐点前的二次曲线与拐点后的直线规则,定义了再加载至骨架曲线的刚度退化指数型表达式。进而,开发了直接能够与ABAQUS主程序保持数据相互调用的UMAT隐式和VUMAT显式算法子程序,并给出子程序与ABAQUS主程序链接的框架示意图。最后,通过5种具有试验结果的构件对所开发程序加以检验。结果表明:(1)改进的混凝土再加载滞回规则可较好描述混凝土加载曲线,克服了二次型规则的再加载曲线与卸载曲线在拐点前相交的可能性,体现了拐点后再加载至骨架曲线的刚度退化;(2)开发实现的隐式算法UMAT与显式算法双精度VUMAT子程序不仅可行,而且具有足够的计算精度。     

钢管约束型钢混凝土框架短柱的抗震性能与设计方法

进行了8个钢管约束型钢混凝土框架短柱的抗震性能试验研究,包括3个圆形钢管约束型钢混凝土柱、3个方形钢管约束型钢混凝土柱和2个普通型钢混凝土对比试件的试验研究。试验中的主要参数为轴压比。试验结果表明,相同用钢量条件下,钢管约束型钢混凝土超短柱的抗剪承载力、延性、层间变形能力和耗能性能明显优于型钢混凝土柱。钢管约束型钢混凝土柱和型钢混凝土对比试件都发生了明显的粘结破坏;因此在设计中应在型钢的翼缘外侧设置抗剪连接件。对钢管的弹塑性应力分析结果表明,水平荷载施加过程中,发生弯曲破坏试件的钢管不屈服,而发生剪切破坏试件的钢管在下降段屈服。根据试验结果和钢管应力分析结果建立了钢管约束型钢混凝土柱的抗剪承载力公式,提出了设计建议,可为工程实践提供参考。     

钢管混凝土构件轴向受拉机理和承载力研究

采用有限元软件ABAQUS建立了钢管混凝土柱的有限元模型,对10个钢管混凝土柱试件在轴向拉力作用下的受力行为进行了数值模拟,并通过与试验结果对比验证了模型的适用性和有效性。使用经验证的模型分析了轴向拉力作用下钢管混凝土构件的受力过程、破坏机理以及钢管和混凝土之间的相互作用,并根据分析结果提出了钢管混凝土构件受拉承载力简化计算公式。研究表明:钢管混凝土柱在轴向拉力作用下,钢管承担大部分拉力,最终的破坏形态为构件端部或者中部的钢管破坏;含钢率和钢材强度对钢管混凝土柱的抗拉承载力影响较大,而核心混凝土强度对抗拉承载力影响很小。     

复杂桥梁结构不同软件模型转换接口开发及验证

结合桥梁设计软件MIDAS civil方便高效的前处理功能和通用有限元软件ABAQUS强大的分析功能,开发了从MIDAS civil到ABAQUS软件的接口程序,该程序可以实现桥梁结构在MIDAS civil中快速建模和在ABAQUS中精确分析的目的。通过2个实例桥梁模型进行了2种软件之间的转换,对转换前后的模型信息及模态分析结果进行了对比,验证了开发程序的正确性。该项工作可以极大的提高复杂桥梁结构在ABAQUS中的建模效率。     

基于纤维模型的受火后混凝土框架的有限元分析

为了分析受火后混凝土框架结构的残余力学性能,基于纤维模型的思路,将梁、柱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受火损伤后材料力学性能的变化。以ABAQUS通用有限元软件为开发平台,利用Python编程语言对其进行二次开发,将SAP2000建立的模型文件导入到ABAQUS中,对基于纤维模型的混凝土框架进行受火后的温度场分析和非线性力学分析。通过一个多层多跨三维混凝土框架火灾反应的实例,对该框架在受火后的力学反应进行了分析,可为评估混凝土框架结构受火后的残余力学性能提供参考。     

型钢混凝土压弯构件受力性能数值模拟及影响参数分析

准确地预测地震荷载作用下型钢混凝土压弯构件的受力性能,对评估带有该类构件的超高层建筑结构的震害程度和分析其地震安全性具有重要意义。因型钢混凝土压弯构件复杂的材料特性和受力行为,在反复荷载作用下其受力性能的数值模拟尚存欠缺。本文采用开源有限元结构分析软件Open Sees,基于柔度法纤维模型,将型钢混凝土压弯构件中的混凝土按受约束情况,划分为3部分:箍筋以外的无约束混凝土,受型钢翼缘约束的强约束混凝土,位于上述两者之间的弱约束混凝土,并确定了相应的钢和混凝土材料本构模型,给出了型钢混凝土压弯构件数值模拟方法。采用该方法对低周反复荷载作用下9个不同轴压比的型钢混凝土压弯试验构件进行了全过程有限元数值模拟。得到的数值模拟结果与试验结果吻合较好,表明本文所建立的型钢混凝土压弯构件的数值模拟模型和方法是合理、可行的,达到了精度和效率的统一,可进一步推广应用到带有该类构件的大型复杂超高层建筑结构的动力非线性分析中。采用本文模型和方法还分析了轴压比、混凝土强度等级、型钢强度等级和含钢率等对构件骨架曲线的影响,结果表明这些参数均对型钢混凝土构件的刚度、强度和延性有不同程度的影响。     

带拉筋中空夹层钢管混凝土纯弯构件试验研究

为加强中空夹层钢管混凝土的力学性能,提出了在中空夹层钢管混凝土内外钢管间焊接双向对拉拉筋的构造措施。针对带拉筋中空夹层钢管混凝土纯弯构件受力性能开展了试验研究,研究配置拉筋对试件极限弯矩、抗弯刚度和横向变形系数的影响。采用合理的混凝土三轴受力状态本构模型和钢材本构模型,应用ABAQUS有限元软件建立并验证了带拉筋中空夹层钢管混凝土纯弯构件三维实体有限元模型,试验结果与有限元计算结果吻合良好;在此基础上,分析了拉筋对内外钢管应力及核心混凝土应力的影响,研究结果表明:拉筋能有效缓解了内外钢管的局部鼓曲,提高试件的极限弯矩、抗弯刚度;拉筋加强了内外钢管对混凝土的约束作用,使得内外钢管受力更加合理。     

一种全局优化的隐式交错网格有限差分算法及其在弹性波数值模拟中的应用

在数值模拟中,隐式有限差分具有较高的精度和稳定性.然而,传统隐式有限差分算法大多由于需要求解大型矩阵方程而存在计算效率偏低的局限性.本文针对一阶速度-应力弹性波方程,构建了一种优化隐式交错网格有限差分格式,然后将改进格式由时间-空间域转换为时间-波数域,利用二范数原理建立目标函数,再利用模拟退火法求取优化系数.通过对均匀模型以及复杂介质模型进行一阶速度-应力弹性波方程数值模拟所得单炮记录、波场快照分析表明:这种优化隐式交错网格差分算法与传统的几种显式和隐式交错网格有限差分算法相比不但降低了计算量,而且能有效的压制网格频散,使弹性波数值模拟的精度得到有效的提高.     

型钢混凝土复合受扭构件的恢复力模型研究

为建立型钢混凝土复合受扭构件的恢复力模型,进行了6个1/2比例的型钢混凝土柱在低周反复荷载作用下的复合受扭试验。试验考虑了轴压比、混凝土强度、扭弯比、配钢率和配箍率对型钢混凝土柱复合受扭滞回特征的影响。通过对试验结果的回归分析及其理论分析,及扭矩-扭率骨架曲线特征点的计算公式,提出了反复加载下强度退化率和卸载刚度的确定方法。并建立了型钢混凝土复合受扭构件的扭矩-扭率恢复力模型,可供型钢混凝土复合受扭构件非线性地震反应分析和工程设计参考。     

型钢混凝土低矮剪力墙抗震性能试验研究

剪力墙构件是现代高层建筑结构中的主要抗侧向力构件.为了对比型钢桁架混凝土组合低矮剪力墙与型钢框架混凝土组合低矮剪力墙以及普通钢筋混凝土低矮剪力墙在地震作用下的抗震性能,本文进行了四榀1/4缩尺模型的低矮混凝土剪力墙在单调和低周反复荷载作用下的对比试验,其中单调加载试验包括一榀内置型钢桁架的型钢混凝土组合低矮剪力墙,反复加载试验包括一榀普通钢筋混凝土低矮剪力墙、一榀内置型钢框架的型钢混凝土低矮剪力墙和一榀内置型钢桁架的型钢混凝土低矮剪力墙,给出了各试件的刚度、承载力、变形、延性和破坏形态等试验结果,并对其进行分析.试验结果表明,在这三种墙体中,型钢桁架混凝土组合低矮剪力墙的承载力、变形能力、耗能能力较其他类型剪力墙好,并为型钢桁架混凝土组合低矮剪力墙在实际中的应用提供了试验依据.     

火灾下配有钢管的钢骨混凝土柱温度场有限元分析

利用ABAQUS有限元分析软件建立了配有钢管的SRC柱温度场的有限元分析模型,模拟火灾作用下各个时刻构件的三维温度场分布,并利用试验结果对模型进行了验证,计算结果与实验结果吻合良好。在此基础上,分析了截面周长、型钢含钢率和截面核心面积比对构件温度场的影响规律。研究成果为进一步深入研究配有钢管的SRC柱高温下的力学性能创造了条件。     

钢管混凝土框架骨架曲线研究

以钢管混凝土统一理论为基础,从截面层次的恢复力模型出发,钢管混凝土柱构件选用三线型弯矩~曲率滞回模型;钢梁采用双线型弯矩-转角滞回模型;钢筋混凝土梁选用三线型弯矩-转角滞回模型。使用非线性分析程序IDARC分析钢梁-钢管混凝土柱和钢筋混凝土梁-钢管混凝土柱两类框架结构的骨架曲线,程序结果和试验结果吻合良好。并进一步研究了轴压比、含钢率、混凝土强度和钢材强度等对结构骨架曲线的影响。研究结果不仅为钢管混凝土框架结构的应用推广提供了必要的理论基础,而且对钢管混凝土抗震设计具有较好的参考价值。     

考虑材料损伤累积的型钢高强混凝土框架节点数值建模及参数分析

为研究地震作用下损伤累积对型钢高强混凝土框架节点抗震性能的影响,基于5榀型钢高强混凝土框架节点低周反复加载试验结果,分析节点构件损伤累积过程及其对刚度和强度的影响。从材料自身损伤入手,通过引入刚度影响系数考虑循环荷载作用下混凝土的单边效应,对Faria-Oliver本构模型进行改进,进而建立适应于型钢混凝土结构的材料损伤累积本构模型。同时基于该模型采用ANSYS分析软件对地震作用下的型钢高强混凝土框架节点进行数值分析,并与试验结果进行对比分析。结果表明:采用本文建立的材料损伤累积本构模型能较好地反映地震作用下型钢高强混凝土框架节点的损伤特性。在此基础上,进一步分析构件轴压比、配箍率、配钢率等设计参数对型钢高强混凝土框架节点抗震性能的影响。研究成果可为该类结构构件的抗震设计提供理论和技术支撑。     

基于螺旋线上谱因式分解的地震波场隐式辛算法

均匀介质、复杂各向同性介质和各向异性介质中的地震波传播过程,可用统一形式的标量声波方程描述.考虑到在无损耗条件下,地震波方程描述了地震波场这一个无穷维的哈密顿体系随时间的演化过程,该过程为一个单参数连续辛变换,因而可以在其哈密顿形式表述下导出其辛格式.与显式辛算法相比,隐式辛格式对应的隐式辛几何算法具有无条件稳定的特点,可以允许较大的计算步长.但是由于隐式算法不可避免地面临高阶矩阵的求逆,其每一步的计算速度较慢.为实现矩阵快速求逆,文中采用了螺旋边界条件下谱因式分解的方法.在螺旋边界条件下,需要求逆的矩阵化为带状矩阵,而且其各列非零元素的位置和大小具有非常好的相似性,因而可以采用谱因式分解的方法实现快速LU分解.文中采用二阶精度的隐式蛙跳辛格式和谱因式分解方法,计算了常速度、层状介质和Marmousi模型中的波场.计算表明,隐式辛算法不失为波场计算的一种好方法.     

基于PSO的钢管混凝土减震框架小震作用下优化分析

基于粒子群算法,以钢管混凝土框架的层间位移角及构件内力为约束条件、防屈曲支撑核心单元横截面积总和为目标函数,采用Matlab编写了适用于钢管混凝土减震框架的优化算法,并对钢管混凝土减震框架进行了优化分析。结果表明:采用粒子群算法对钢管混凝土减震框架进行参数优化是可行的。粒子群算法参数少、收敛速度快,是一种适用于钢管混凝土减震框架的新型优化方法。     

一种求解黏弹塑性介质流动的全隐格式算法

在岩石圈动力学数值模拟中,现有的黏弹塑性数值模型通常在每个时间步先使用迎风间断Galerkin方法对偏应力张量进行旋转,然后使用Particle-In-Cell (PIC)方法或场方法求解对流方程,所构成的时间离散格式为显格式或半隐格式.我们将黏弹塑性介质的经典数值模型和非牛顿流体力学领域的黏弹性流体问题计算方法相结合,提出了一种基于有限单元法的求解黏弹塑性介质流动的全隐格式算法.本文通过数值实验将这种全隐格式算法与PIC方法和半隐格式算法进行了详细的对比,实验结果表明全隐格式算法的数值稳定性优于PIC方法,而当Deborah数较高时精度优于半隐格式算法.同时,我们在应力场引入三阶WENO (Weighted Essentially Non-Oscillatory)限制器,可以在保留数值解精度的同时有效消除应力集中引起的数值振荡.     

冷弯薄壁型钢方钢管混凝土梁的滞回性能试验研究

进行了六片方形冷弯型钢钢管混凝土梁在反复荷载作用下的试验研究和非线性有限元分析,研究不同跨高比和截面宽厚比对冷弯型钢钢管混凝土梁的滞回性能、延性和耗能能力等的影响。结果表明:(1)方型冷弯薄壁钢管混凝土梁的荷载-位移滞回曲线比较饱满,没有明显的捏缩现象,具有很好的延性和耗能能力;(2)跨高比和宽厚比会严重影响方型冷弯薄壁钢管混凝土梁的滞回性能和延性;(3)建立的非线性有限元模型能够预测冷弯薄壁钢管混凝土梁的弹塑性行为和抗震性能,计算结果与实测结果基本吻合,可以进一步应用方型冷弯薄壁钢管混凝土梁的参数影响分析计算。     

地震波传播的哈密顿表述及辛几何算法

地震波传播过程本质上是能量在传播过程中逐步损耗直至殆尽的过程，而在实际应用中，常在无能量损耗假设下，用弹性波动方程或标量波动方程描述它.在哈密顿(Hamilton)体系表述下，地震波传播过程即为一个无限维的哈密顿系统随时间的演化过程.若不计能量损耗，波场演化过程实质上为一个单参数连续的辛变换，因而对应的数值算法应为辛几何算法.本文首先从地震波标量方程出发，给出哈密顿体系下地震波传播的表述，即任意两个时刻的波场是通过辛变换联系起来的.随后，把波场在时间和相空间离散化后，给出了用于波场计算的一些辛格式，如显式辛格式、隐式辛格式和蛙跳辛格式.并进一步讨论了有限差分格式和辛格式的异同.然后，应用显式辛格式和同阶的有限差分方法给出了同一理论速度模型下的波场和Marmousi速度模型下的单炮记录.数值结果表明，辛算法是一类可行的波场模拟的数值算法.在时间步长较小时，有限差分方法是辛算法的一个很好近似.文中的理论和方法，为地震波传播理论及实际应用研究提供了新的途径.     

核心钢管混凝土短柱轴压受力机理及设计方法研究

为研究核心钢管混凝土(CSTRC)短柱轴压受力机理及设计方法,完成了7个CSTRC柱和2个RC柱的轴压试验,采用有限元软件ABAQUS对CSTRC柱轴压全过程进行数值仿真。在试验验证的基础上,利用有限元模型研究了CSTRC柱的轴压机理和轴力分配规律。研究表明,核心钢管混凝土柱试件中,钢管对内部混凝土的约束作用明显,钢管外部混凝土对钢管的约束作用可以忽略,其承载力可按RC部分与钢管混凝土柱部分承载力进行线性叠加。根据有限元分析结果,提出了CSTRC柱中钢管混凝土部分的承载力发挥系数。本文成果可为CSTRC结构的设计和应用提供参考。