基于OpenSees平台的钢管混凝土结构力学性能数值模拟

基于非线性纤维梁-柱单元理论,以OpenSees为求解平台分别进行了钢管混凝土结构滞回曲线计算和弹塑性动力时程分析等数值模拟,计算结果与试验吻合良好。钢管内核心混凝土采用考虑钢管约束效应的应力—应变关系,钢材采用随动强化本构模型。在传统纤维模型法的基础上,通过直接在截面层次定义非线性剪切恢复力的方法建立了考虑非线性剪切效应的剪力墙结构数值模型,结果表明该模型能较好地模拟组合剪力墙的抗剪承载力、捏缩效应以及刚度退化等力学性能。对输入不同地震波下钢管混凝土框架体系的动力时程分析表明,基于OpenSees求解平台的非线性纤维模型法能够较好地模拟钢管混凝土框架结构的非线性动力特性。     

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。     

反复荷载下矩形钢管混凝土柱的抗震性能Ⅱ:分析研究

文中首先提出了钢管与内填混凝土界面的粘结-滑移滞回模型，建立了考虑包兴格效应的钢材单轴滞回模型和考虑矩形钢管约束效应后内填混凝土的单轴应力-应变滞回模型。在截面纤维模型的基础上，建立了考虑界面粘结-滑移的矩形钢管混凝土柱分析模型，用Fortran语言编制了相应的全过程分析程序。对作者等完成的试件进行了滞回全过程数值模拟计算，分析与试验结果在荷载-位移和荷载-应变两种层次上进行了对比。之后，利用该分析程序对矩形钢管混凝土柱中有代表性的混凝土和钢单元应力-应变发展全过程进行了跟踪分析。最后，以典型试件为对象，分析了钢-混凝土界面切向粘结强度对柱滞回性能的影响。本文工作可为从事组合结构研究时提供参考。     

反复荷载作用下矩形钢管混凝土柱的滞回性能研究

文中首先建立了钢管与核心混凝土界面的粘结-滑移滞回模型、考虑包辛格效应的钢材单轴滞回模型和考虑矩形钢管约束效应后内填混凝土的单轴应力-应变滞回模型.在截面纤维模型的基础上,建立了考虑界面粘结-滑移的矩形钢管混凝土柱分析模型,用Fortran语言编制了相应的全过程分析程序.考虑轴压比和截面高宽比两个因素,对19个矩形钢管混凝土试件进行了数值模拟计算,并对荷载-位移滞回关系进行了初步的理论分析.     

方钢管混凝土框架在低周反复荷载作用下的非线性有限元分析

本文建立了方钢管混凝土框架结构的三维非线性有限元分析模型,用以研究方钢管混凝土框架在低周反复荷载作用下的抗震性能。该模型考虑了钢与混凝土的粘结滑移作用。通过与方钢管混凝土框架结构在低周反复荷载作用下试验所得的滞回曲线和刚度退化曲线的对比,发现该模型的计算结果较为精确,可以应用于方钢管混凝土框架的结构分析中。同时由试验和有限元分析计算的结果也可以得出结论,方钢管混凝土框架具有较好的抗震性能。     

基于ANSYS自定义单元的半刚性梁柱节点抗震滞回性能模拟分析

采用峰值指向滞回模型模拟半刚性连接在循环荷载下的非线性行为,建立了能同时考虑几何、材料和连接非线性的精细塑性铰法平面梁柱单元模型,利用ANSYS用户可编程特性（UPFs）,对自定义单元进行编译并嵌入到ANSYS平台中。利用试验数据拟合得到滞回模型参数,经自定义单元进行分析计算,得到节点的载荷-位移滞回曲线。通过与试验结果对比分析表明:模拟结果与试验结果吻合良好,该单元模型具有很大优势,可用于半刚性梁柱节点的滞回性能分析。     

静力和动力荷载作用下混凝土高层结构的倒塌模拟

在M SC.M arc有限元分析软件程序的基础上,开发了针对钢筋混凝土杆系结构的钢筋混凝土纤维模型程序THU F IBER。在该程序中,结构构件中的混凝土和钢筋分别用不同的纤维来模拟,从而使得材料滞回特性得到较准确的表达。为了验证本程序的计算能力,本文针对一个钢筋混凝土高层框架结构进行了静力弹塑性分析和动力时程分析,结果表明,THU F IBER具有出色的分析非线性问题的能力,可以进行结构倒塌模拟。     

应用OpenSEES模拟方钢管混凝土柱的抗震性能

应用OpenSEES有限元软件计算方钢管混凝土柱的水平力-位移滞回曲线。考虑到钢管与混凝土相互作用的机理,采用Mander混凝土本构模型,计算结果与试验结果吻合较好。在此基础上对方钢管混凝土柱进行了参数分析,讨论了纤维模型数量、单元划分数量和材料本构等因素的影响。结果表明:基于OpenSEES建模方式与模型参数选取合理;增大钢材屈服强度,可以提高方钢管混凝土柱水平承载力,混凝土强度对方钢管混凝土柱的水平承载力影响则不大。     

反复荷载作用下矩形钢管混凝土树状节点的非线性分析

本文在确定了往复应力作用下钢管混凝土的钢材和核心混凝土的应力-应变关系的基础上,利用纤维杆元模型,有限元模型对钢管混凝土Y形柱和十字形钢梁连接的节点的荷载-位移滞回关系曲线及其骨架曲线进行了计算,并与试验结果进行了比较。结果表明：由纤维杆元模型与试验所得的低周反复荷载作用下的骨架曲线极为相似,但在峰值荷载后差异较大;由纤维杆元模型和有限元所得的在低周反复荷载作用下滞回曲线也与在反复荷载作用下试验所得的结果相一致。纤维杆元模型能准确地预测节点的弹塑性行为和整体抗震性能,可用于节点滞回性能的非线性参数分析研究。在此基础上研究了方钢管混凝土柱的轴压比,宽厚比及核心混凝土强度对节点受力性能的影响。     

不同模型对足尺钢框架振动台试验模拟的影响

本文分别采用纤维单元模型和塑性铰单元模型对一个四层足尺钢框架振动台试验进行模拟分析,在三维空间非线性分析程序Perform-3D中进行动力非线性分析,比较分析结果,并与试验结果对比,以研究两种模型应用于钢框架整体结构非线性分析的计算精度。文中并讨论了纤维单元模型截面纤维的划分、塑性区长度的取值等问题。最后对采用组合梁的整体结构模型进行了动力非线性分析。结果表明,纤维模型的建模速度比塑性铰模型快,但塑性铰模型能模拟结构的倒塌时间。Perform-3D程序的纤维单元模型和塑性铰单元模型用于计算我国规范规定的7度和8度地震作用的多层钢框架结构,其结果是真实可靠的,而且计算结果偏于安全。     

反复荷载下矩形钢管混凝土柱的抗震性能Ⅰ:试验研究

本文介绍了16根1/2比例的矩形钢管混凝土柱在常轴力和侧向低周反复荷载作用下的抗震性能试验研究，描述了构件的非线性发展过程及破坏形态，研究了不同试验参数（包括柱的轴压比、截面长宽比、含钢率、加载方向等）对矩形钢管混凝土柱抗震性能的影响。本文的工作可为矩形钢管混凝土结构的工程实践及相关标准的编制修订提供参考。     

低周反复荷载下方钢管混凝土框架抗震性能的试验研究

通过对一榀两跨三层的方钢管混凝土组合框架在低周反复荷载作用下的模型试验，深入研究了方钢管混凝土组合框架的滞回性能、延性、耗能能力和刚度退化等抗震性能。研究结果表明：方钢管混凝土结构的抗震性能优于混凝土结构。     

Flexibility-based linear dynamic analysis of complex structures with curved-3D members

A flexibility-based formulation of a new mass matrix for the dynamic analysis of spatial frames consisting of curved elements with variable cross-sections is presented. The main characteristic of such formulations is the exact equilibrium of forces at any interior point, with no additional hypotheses about the distribution of displacements, strains or stresses. Accordingly, the derived element mass matrix takes into account the exact stiffness and mass distribution throughout each element. In validation tests, results obtained with this method are compared with those obtained by other numerical or analytical formulations, showing the accuracy of the proposed method. The comparison of experimental results for a multispan arch bridge subjected to a dynamic load with those achieved by means of the proposed method are finally included to illustrate its efficiency in the treatment of complex structures. © 1998 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于柔度法的异形截面钢筋混凝土构件非线性分析

钢筋混凝土异形截面构件在住宅建筑中已被广泛应用,但适合此类长细比较小的异形截面构件空间分析模型并不成熟.目前国内外学者提出的基于有限单元柔度法的纤维单元模型,还不能考虑剪切变形对构件刚度的影响,对于短肢剪力墙这类长细比较小的构件是不适用的.本文建立了考虑剪切变形的基于柔度法的弹塑性纤维单元,对L形钢筋混凝土构件进行了算例分析.模拟计算结果与试验结果显示出良好的一致性,L形截面构件在侧力作用下会发生斜弯曲现象,钢筋混凝土构件在纯弯矩作用下杆件具有伸长特性.     

A fiber-section model based Timoshenko beam element using shear-bending interdependent shape function

A fiber-section model based Timoshenko beam element is proposed in this study that is founded on the nonlinear analysis of frame elements considering axial,flexural,and shear deformations.This model is achieved using a shear-bending interdependent formulation(SBIF).The shape function of the element is derived from the exact solution of the homogeneous form of the equilibrium equation for the Timoshenko deformation hypothesis.The proposed element is free from shear-locking.The sectional fiber model is constituted with a multi-axial plasticity material model,which is used to simulate the coupled shear-axial nonlinear behavior of each fiber.By imposing deformation compatibility conditions among the fibers,the sectional and elemental resisting forces are calculated.Since the SBIF shape functions are interactive with the shear-corrector factor for different shapes of sections,an iterative procedure is introduced in the nonlinear state determination of the proposed Timoshenko element.In addition,the proposed model tackles the geometric nonlinear problem by adopting a corotational coordinate transformation approach.The derivation procedure of the corotational algorithm of the SBIF Timoshenko element for nonlinear geometrical analysis is presented.Numerical examples confirm that the SBIF Timoshenko element with a fiber-section model has the same accuracy and robustness as the flexibility-based formulation.Finally,the SBIF Timoshenko element is extended and demonstratedin a three-dimensional numerical example.     

宁波深厚软土动力特性研究及其地震响应分析

利用Davidenkov模型对宁波深厚软土地区土动力试验数据进行拟合分析,确定相关拟合参数,结果表明该模型能较好地描述软土的动剪切模量和动阻尼比随动剪应变的变化规律。然后,基于等价线性化方法以及ANSYS软件的APDL语言进行简单的二次开发,编写Davidenkov模型计算程序,并利用经典的SHAKE软件进行验证,结果表明该程序计算结果很好,能解决目前商业软件中缺乏合适的土体非线性动力本构模型的不足。最后,利用开发的模型计算分析宁波深厚软土的地震响应规律,并与规范推荐的简化计算公式进行比较分析,结果表明规范推荐的公式得到的土体响应偏大,对于地下结构的抗震设计偏于保守。研究成果对确定深厚软土地区土体动力特性及其地震响应研究提供了合理的计算方法。     

地形效应对于核电场地地震反应分析影响研究

目前,在进行核电场地安全性评价时,主要采用一维等效线性化程序LSSRLI-1,而一维等效线性化方法在考虑地形效应时有很大的局限性,特别是在研究场地地形效应的影响时偏差较大。对于抗震设计要求远高于一般建筑的核电站来说,选用合适的方法进行二维建模分析是非常必要的。选取了某核电场地典型剖面15个钻孔资料,在MIDAS二维等效线性分析环境下进行了建模,并选取了以年超越概率10^-4合成的地震动中10条最大样本时程作为基底输入进行分析。通过与LSSRLI-1的计算结果进行对比,研究了地形效应对地表和核岛基础处（8.5m）加速度反应谱的影响,并提出了设计建议。分析得出:二维分析中地形效应对地表加速度最大值反应谱的双峰形态影响较大,并且计算结果对AP1000谱的超越情况有所变化;对核岛基础处（8.5m）峰值加速度的影响程度比地表要小,没有表现双峰形态变化较大的形态。     

Pre‐ and post‐test mathematical modelling of a plan‐asymmetric reinforced concrete frame building

Pre‐ and post‐test analyses of the structural response of a three‐storey asymmetric reinforced concrete frame building were performed, aimed at supporting test preparation and performance as well as studying mathematical modelling. The building was designed for gravity loads only. Full‐scale pseudo‐dynamic tests were performed in the ELSA laboratory in Ispra. In the paper the results of initial parametric studies, of the blind pre‐test predictions, and of the post‐test analysis are summarized. In all studies a simple mathematical model, with one‐component member models with concentrated plasticity was employed. The pre‐test analyses were performed using the CANNY program. After the test results became available, the mathematical model was improved using an approach based on a displacement‐controlled analysis. Basically, the same mathematical model was used as in pre‐test analyses, except that the values of some of the parameters were changed. The OpenSees program was employed. Fair agreement between the test and numerical results was obtained. The results prove that relatively simple mathematical models are able to adequately simulate the detailed seismic response of reinforced concrete frame structures to a known ground motion, provided that the input parameters are properly determined. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑各向异性的层土-盾构隧道地震反应数值模拟

在层状各向异性土体-盾构隧道地震反应分析中,引入了横观各向同性弹塑性模型理论,建立了适合于横观各向同性介质的双渐近-多向透射边界条件。针对地铁区间盾构隧道抗震设计的特点,基于横观各向同性弹塑性模型,研制了考虑层状土体各向异性和施工开挖效应,适合于盾构隧道动力计算的各向异性弹塑性动力有限元程序。在程序中对于不同的材料采用了不同的本构关系和不同的单元形式,并采用了关联流动法则和多种屈服准则,可同时进行各向异性土体与地下结构的二维平面应力、平面应变和轴对称问题的静力和动力数值分析。最后利用所研制的程序进行了上海地铁二号线石门一路站附近区间隧道在不同超越概率地震动输入下的隧道反应计算。结果表明,在层状土体-地铁区间隧道的抗震分析中考虑土体各向异性的影响是必要的,所提出的计算模型是可行的。