基于纤维梁柱单元的古建筑木柱空间受力分析模型

古建筑木柱浮搁于础石,其空间力学性能与结构地震响应密切相关.提出了基于纤维梁柱单元的古建筑木柱空间受力分析模型,根据柱脚局部受压确定古建筑木柱纤维截面网格尺寸划分原则,使用只压材料反映古建筑木柱受压不受拉特性,通过设置材料应变间隙考虑柱底与础石的接触缺陷.分析了模型对材性参数和应变间隙的敏感性,给出了模型应变间隙的取值方法,并基于已有试验验证了模型的正确性.进一步对模型施加空间荷载和地震机理,获取了其空间力和位移特性,结果表明:模型具备反映古建筑木柱空间力学性能的能力,可应用于结构抗震分析.

基于改进简化拉-压杆模型的钢纤维混凝土梁柱节点受剪承载力计算方法

在简化拉-压杆模型(Simplified softened strut-and-tie model,SSSTM)基础上,考虑轴压比对混凝土斜压杆倾角的影响,修正斜压杆倾角计算公式,并基于剪滞模型,考虑裂缝面纤维数量及纤维取向特性,建立裂缝面单位面积纤维拉应力计算公式,从而提出适用于钢纤维混凝土梁柱节点受剪承载力计算的改进简化拉-压杆模型(Modified simplified softened strut-and-tie model,MSSSTM).采用MSSSTM模型、SSSTM模型对36个钢纤维混凝土梁柱节点受剪承载力进行计算.结果表明:MSSSTM模型、SSSTM模型的试验值与计算值之比的平均值分别为1.01、1.05,变异系数分别为0.04、0.09;按照MSSSTM模型计算得到的钢纤维混凝土梁柱节点受剪承载力试验值与计算值吻合较好,离散性较小,且该模型亦能较合理地反映轴压比、混凝土强度等对节点受剪承载力的影响.

考虑局部屈曲加劲钢箱形构件极限承载力的纤维梁柱模型

大型桥梁加劲钢箱形构件的极限承载力会受到板件局部稳定性能的影响,而目前尚缺乏成熟的可直接计入局部屈曲的高效计算模型。归纳总结国内外钢构件计算方法对局部屈曲的处理方式,明确以有效应力法即采用板件(或加劲板)平均受压应力-应变曲线简化局部屈曲效应的研究思路。通过有限元程序ANSYS二次开发钢板拉压非对称本构模型,提出一种可直接计入局部屈曲的纤维梁柱模型。材料本构模型中受压应力-应变曲线通过小型的加劲板板壳模型得到,且全面考虑了焊接残余应力与几何缺陷。搜集已开展的钢箱梁、钢桥塔及钢拱肋的稳定性试验,采用提出的纤维梁柱模型、板壳模型与传统弹塑性梁柱模型进行分析,展示截面纤维划分策略,验证文中纤维梁柱模型的可靠性与高效性;通过设置不同的缺陷参数,探讨缺陷水平与局部屈曲对各个构件极限承载力的影响。研究表明,随着缺陷水平的严重,局部屈曲会显著降低极限承载力,提出的纤维梁柱单元模型能够有效地预测加劲钢箱形构件的极限承载力,具有较广泛的应用前景。

小间距双柱盖梁墩抗震性能研究

由于地形限制,双柱盖梁墩的间距受到严格的控制。通过SAP2000,对小间距双柱盖梁墩的建模进行空间有限元动力分析,可以得到其在地震荷载作用下的纵横向桥墩和桩基的地震响应。利用UCFyber软件,建立纤维单元模型,对桥墩和桩基截面进行抗弯能力分析(考虑轴力),从而检验小间距双柱盖梁墩在地震荷载作用下的桥墩和桩基的抗震力学性能,对今后相应结构的抗震性能分析具有一定的参考意义。

基于桁架-拱模型的钢筋UHPC矩形梁抗剪承载力计算方法

超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete, UHPC)在铁路桥梁中有着广阔的应用前景,UHPC梁的抗剪承载力计算是UHPC结构设计的重要部分。针对钢筋UHPC矩形梁,利用数值分析方法,分析剪跨比、纵筋配筋率、箍筋配筋率、钢纤维掺量等各因素对梁抗剪承载力的影响;在传统桁架-拱模型的基础上单独考虑钢纤维的增强作用,把钢纤维作为桁架模型中的受拉斜腹杆并根据厚壁圆筒原理推导钢纤维提供的抗剪承载力,结合UHPC的材料特征和UHPC矩形截面构件的抗剪设计特点,建议斜压腹杆倾角和软化系数等关键参数的取值,提出能考虑钢纤维掺量和几何特征的UHPC矩形梁抗剪承载力计算公式;以国内外147根UHPC矩形梁的抗剪试验结果验证计算方法的正确性和适用性。结果表明:建议的UHPC矩形梁抗剪承载力公式计算结果与实测值吻合较好,相比常用的国外UHPC结构设计规范建议方法,方法得到的结果与实测值更为接近;钢纤维对梁的抗剪承载力有显著贡献;纤维掺量和纤维几何特征对梁的抗剪承载力有明显影响。

外贴FRP加固RC短梁抗弯承载力公式

采用外贴FRP布加固钢筋混凝土短梁时,现有抗弯承载力计算公式大多基于无下降段的混凝土受压本构模型,导致公式计算结果存在误差。为此,提出将带下降段的Hognestad混凝土受压应力-应变曲线引入计算过程,以考虑受压区混凝土的实际受力状态。根据加固短梁的破坏模式推导了4种破坏形式的抗弯承载力计算公式,包含FRP布未被拉断的适筋破坏、FRP布被拉断的少筋破坏、超筋破坏和剥离破坏,最后通过一批试验短梁数据验证了公式的准确性。结果表明:采用完整混凝土受压本构模型能提供更准确的加固短梁承载力评估值,所推导公式的计算结果与试验结果的平均值为1.03,标准差为0.04,变异系数为4.22%,离散性较小,说明公式具有较好的可靠性。

裂纹损伤实木梁抗弯承载性能

为探索裂纹损伤对实木梁承载性能的影响规律,采用力学试验法研究了预制裂纹木梁的承载性能,并运用碳纤维浆料对木梁裂纹损伤进行了修复探索。结果表明:裂纹深度是裂纹损伤木梁抗弯承载性能削弱的重要影响因素。当裂纹位于木梁两侧中心位置时,裂纹深度为1/9,2/9及1/3截面宽度木梁的抗弯强度及初始刚度相对无损伤木梁分别下降了9%,24%,29%和6.4%,14.7%,26.3%。当裂纹深度为1/3截面宽度时,裂纹深度大,木梁损伤严重,裂纹位于下部时木梁抗弯强度及初始刚度较完好木梁分别下降了44%和39.7%。裂纹深度大会使裂纹位置上下部分木材联系减少,木梁整体协调性减弱,不同裂纹位置木梁极限承载力影响因素多,但差值较小,均在8%以内。采用微尺度碳纤维浆料修复裂纹可大幅改善木梁的裂纹损伤,修复后其抗弯承载性能得到大幅提升,其抗弯强度和初始刚度分别提升了69%和59%,修复木梁破坏模式由裂纹位置剪切破坏转变为较为常见的受弯破坏。推导的裂纹损伤木梁承载力模型所预测的裂纹损伤程度的变化规律与试验结果几乎一致,可用于预测裂纹损伤木梁极限承载力衰减趋势。

火灾下混凝土结构破坏模拟的纤维梁单元模型

为分析和模拟结构构件在火灾下的失效破坏过程,本文基于建筑结构分析中常用的纤维梁单元模型,建立了钢筋混凝土梁、柱构件的火灾破坏数值模型。此模型将构件截面划分成多个纤维,从而可以模拟构件截面的不均匀温度场分布以及高温下混凝土材料的开裂、压碎和钢筋屈服等行为。并根据全拉格朗日描述方法,推导了纤维梁单元的切线刚度矩阵,建立了纤维梁单元的增量求解方程。最后,将本文模型的模拟结果和多个具体试验结果进行了分析比较,进一步验证了模型的可靠性。

钢套管再生混凝土加固柱抗震性能及影响参数研究

通过1个未加固的钢筋混凝土柱和9个钢套管加固钢筋混凝土柱的低周反复加载试验,研究了钢套管加固柱的抗震性能。随后在ABAQUS中,利用经试验校验的纤维梁模型,进行钢套管再生混凝土柱的数值模拟,并对相关影响因素进行参数化分析。结果表明:经钢套管再生混凝土加固后,钢筋混凝土柱的抗震性能显著提升;在所研究的参数范围内,轴压比小于0.58时,加固柱抗侧承载力随轴压比的增大而提高,但轴压比大于0.58时,加固柱抗侧承载力随轴压比的增大显著下降,且损伤发展速度加快;钢套管厚度能提升加固柱的抗震性能,但提升幅度随厚度的增加而减缓;原柱轴压比对加固柱的力学性能和破坏模式有较大影响,且初始压弯组合应力显著降低高轴压比加固柱的压弯承载力;在钢套管的有效约束下,再生混凝土对构件整体承载力的影响不明显,但使得构件的抗震性能有所下降。

传统纤维模型的一些新发展

纤维模型是结构体系模拟技术发展中的重要里程碑,它具有简单、高效、通用的特点,近年来得到了广泛应用,但其基本假定决定了其在许多结构体系关键效应的模拟方面存在显著缺陷。该文综述了研究团队近7年来针对若干体系计算的关键难点对传统纤维模型进行的大量改进和发展工作。首先在通用有限元程序MSC.MARC平台上开发完成了传统纤维模型并将其拓展至组合框架结构的模拟。随后针对四个体系模拟的关键难点,包括组合框架的楼板空间组合作用、核心筒连梁的非线性剪切和滑移效应、构件端部锚固纵筋滑移效应和钢筋混凝土梁柱构件开裂全过程行为,在对机理和规律充分研究的基础上,分别提出了考虑楼板空间组合作用的纤维模型、考虑剪切和滑移非线性的连梁纤维模型、考虑端部锚固纵筋滑移效应的纤维模型和裂缝宽度全过程定量预测的纤维模型等四个新型纤维模型。这些模型既保持了传统纤维模型的优点,同时能够较准确地考虑上述复杂效应,模拟结果得到了大量试验数据和精细有限元的充分验证。基于上述成果,团队同时开发了一套涵盖钢筋混凝土结构、钢结构以及组合结构等工程常用结构形式的非线性分析程序COMPONA-MARC,为结构体系的精细化模拟提供了强大的平台和工具。

钢管混凝土结构材料非线性的一种有限元分析方法

为了更简单地考虑梁单元的材料非线性受力性能,把断面广义力和广义应变的概念运用于单元分析中,将单元的弹塑性刚度矩阵分离为弹性刚度矩阵和塑性刚度矩阵。这样,梁单元的变形可以由弹性变形和塑性变形简单地迭加,结构内力可通过弹性应变能的斜率(弹性刚度矩阵)与位移的乘积求得,从而在增量-迭代计算时可较准确且较快地计算出结构变形后的不平衡力。应用这一计算方法,推导了基于纤维模型的三维梁单元的钢管混凝土结构的有限元基本公式,并将其植入能考虑几何非线性的三维梁单元非线性计算程序NL_Beam3D中以计算结构的双重非线性问题。算例分析表明该方法和程序能较准确地反映钢管混凝土结构的双重非线性特性。

混凝土结构抗震非线性分析模型、方法及算例

结构在大震作用下会进入非线性并产生损伤,准确预测地震荷载下钢筋混凝土结构的非线性行为,对评估混凝土结构的抗震安全性具有重要意义。清华大学土木工程系近年来开发的适用于钢筋混凝土杆系结构的纤维模型THUFIBER程序,适用于预应力混凝土杆系结构的纤维模型NAT-PPC程序,以及适用于剪力墙结构的分层壳墙元模型的非线性分析程序。这些程序可以直接将构件的非线性节点力(轴力、剪力和弯矩)、节点变形(平动和转动)和材料的非线性应力-应变行为联系起来,可以模拟各种复杂受力构件的滞回行为和轴力-双向弯曲-剪切耦合行为,借助通用有限元程序方便的前后处理功能和非线性计算功能,该程序可以准确模拟地震作用下结构的三维非线性地震响应,也可模拟爆炸、倒塌等极端非线性行为,通过一系列的数值分析与试验结果的对比和工程应用算例,说明所研发程序的精度和计算能力。

盾构隧道管片结构设计几个问题的探讨

由于国内盾构隧道结构现有计算方法考虑因素不全面、部分计算方法不合理,造成盾构管片配筋量偏大,对管片预制及工程造价都带来很大影响。为提高现有盾构隧道结构设计方法的准确性和可靠性以及优化管片配筋,通过大量的盾构隧道结构计算和工程经验,对多个设计问题进行分析,结果表明:深埋等复杂地质条件下长大盾构隧道结构计算需要考虑管片的环、纵向接头作用;极限状态法没有区分施工和运营工况受力特点等。通过研究提出以下解决方案:(1)采用改进管片接头单元的梁-弹簧模型,结合接头试验对抗弯刚度等取值进行优化;(2)考虑盾构隧道施工阶段为短暂设计工况,运营阶段为持久设计工况进行安全校核;(3)提出纤维梁单元模型,对管片配筋进行校核;(4)提出多种管片配筋优化设计方法,减少钢筋用量。

基于Timoshenko梁理论纤维模型巨型钢框架结构非线性地震反应分析方法

巨型钢框架结构中,组成主结构的杆件截面高度很大,荷载作用下截面剪切变形对杆件承载力和塑性发展的影响不能忽略,即基于弯曲梁理论的截面纤维模型梁柱单元用于此类结构非线性分析时精度并不高。本文基于刚度法将截面纤维模型与Timoshenko梁理论结合,考虑剪切屈服与弯曲屈服相分离建立杆件单元刚度矩阵;通过有限元软件MSC.Marc二次开发,将单元矩阵嵌入到程序中,进行结构的动力非线性分析。采用此单元进行巨型钢框架结构的动力非线性反应分析,可以得到结构中屈服杆件的数量与位置。

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。

基于梁柱单元的钢筋混凝土桥墩地震损伤分析

Faria-Oliver模型是一个简单而有效的混凝土损伤模型.基于Faria-Oliver模型提出了混凝土单轴损伤模型,且加以修正以更好地模拟混凝土单边效应;在ABAQUS软件平台上,编制了含有钢筋修正Menegotto-Pinto模型和混凝土单轴修正Faria-Oliver损伤模型的用户材料子程序VUMAT,建立了纤维模型等效模拟方法;分别模拟了一钢筋混凝土桥墩试件的循环加载试验和一钢筋混凝土桥墩试件的振动台试验,模拟结果与试验结果基本吻合.研究表明:本文所给出的单轴本构模型及纤维模型等效模拟方法有效、适用;基于梁柱单元的钢筋混凝土桥墩地震损伤分析不仅计算效率高而且提供了地震损伤演化过程信息,具有较强的工程实用性.

2种纤维弹塑性梁单元特性

首先对2种基于纤维截面的弹塑性梁单元,即沿单元长度积分的纤维弹塑性梁单元和基于子单元法建立的带长度的纤维塑性铰弹塑性梁单元的本构特征进行了分析,然后以地震作用下一桥梁工程为例,从静力和动力2个方面对比了这2种单元的主要非线性特性.结果表明:前者可以模拟受力过程中沿单元长度方向截面刚度的连续变化,后者则可以体现双线性特征;带长度的纤维塑性铰弹塑性梁单元是对纤维弹塑性梁单元的一种较好的近似,但在动力分析中,如果有未屈服构件的显著影响,则会出现相对略大的差异.

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。

基于FENAP平台的钢筋混凝土桥墩非线性动力分析

为精细模拟钢筋混凝土桥墩的非线性动力行为,基于钢筋混凝土纤维梁柱单元实用模拟分析平台FENAP,研究了结合纤维梁柱单元与有限元软件ABAQUS进行非线性动力分析的原理,推导了动力分析过程,并开发了FENAP平台的非线性动力分析模块.应用该模块分别模拟了钢筋混凝土桥墩在单向地震激励下的数值试验和钢筋混凝土桥墩在双向地震激励下的振动台试验.结果表明,基于FENAP平台所开发的非线性动力分析模块,可有效模拟钢筋混凝土桥墩的复杂非线性行为,可考虑双向弯矩和轴力的耦合作用,且求解精度和计算效率较高,为长大桥梁结构的地震灾变过程模拟提供了一种实用分析手段.

钢管约束钢筋混凝土压弯构件抗震性能与设计方法

为研究钢管约束钢筋高强混凝土压弯构件的抗震性能和设计方法,进行圆钢管和方钢管约束钢筋高强混凝土压弯构件的滞回性能试验研究.试验结果表明,由于钢管对核心混凝土的有效约束,核心高强混凝土柱的承载力、延性和耗能能力得到显著提高.在轴压比和钢管径厚比相同的条件下,圆钢管约束钢筋混凝土压弯构件的抗弯承载力和延性明显优于方钢管约束钢筋混凝土.根据试验结果,建立钢管约束钢筋混凝土压弯构件的纤维模型方法和截面抗弯承载力计算方法,计算结果与试验结果吻合极好.