纤维墙元模型在剪力墙结构非线性分析中的应用

钢筋混凝土剪力墙是目前高层与超高层建筑中最主要的抗侧力构件,本文在对已有的微观及宏观计算模型进行比较的基础上,基于纤维模型概念,建立了便于高层剪力墙结构非线性分析应用的纤维墙元模型,即由承受轴力及弯矩的纤维子单元与承受剪切变形的剪切子单元相合成的墙元计算模型;同时,对该模型中剪切子单元高度的取值进行了分析,明确了其物理含义;推导了单元的刚度矩阵,并分别建立了纤维子单元及剪切子单元的骨架曲线及滞回规则。另外,应用该计算单元模型,对一栋40 层框架剪力墙结构进行了非线性时程分析,计算结果与相应模型的振动台试验结果进行了对比,比较结果表明两者在结构动力特性,位移响应方面等均吻合较好,验证了该计算单元模型的准确性与有效性,可为推广使用提供参考。

框架剪力墙结构模态静力非线性抗震分析方法研究

本文在模态pushover分析方法基础上推导建立了模态静力非线性分析方法,对一栋 10层框架剪力墙结构进行了静力非线性分析,提出了目标位移求解的等效单自由度体系弹塑性时程分析迭代法,计算结果与相应时程分析结果进行了比较,表明两者吻合较好,验证了本文计算方法的有效性。另外,对同一结构,计算分析了在不同水平荷载模式下的静力非线性分析结果,比较不同荷载模式对计算结果的影响,为静力非线性分析方法的推广使用提供参考。

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。

框支短肢剪力墙-异形柱结构罕遇地震作用下非线性地震反应分析

对某框支短肢剪力墙-异形柱框架结构进行了非线性时程分析,介绍了弹塑性地震反应分析中采用的空间整体动力模型、纤维梁元模型、墙元模型及动力微分方程的积分方法。通过分析得到该结构层间位移角包络图和塑性铰分布情况等反映结构性能的指标,分析结果表明:该结构在设防烈度为6度的地区是可行的。

框架-剪力墙结的弹塑性地震反应

为研究大震下框架-剪力墙结构三维弹塑性地震反应,采用纤维模型(CANNY99),对九层1:6钢筋混凝土框架-剪力墙结构振动台实验模型进行地震反应分析。在结构主震频率和顶层加速度反应等方面,对数值模拟与实验结果进行对比分析。结果表明:基于纤维模型的三维分析方法能够模拟框架-剪力墙结构的弹塑性地震反应,具有较好的可靠性和稳定性。

不同轴压比下叠合板式剪力墙结构抗震性能分析

叠合板式剪力墙结构是一种新型的装配式结构,它吸收了现浇混凝土结构与预制混凝土结构的优点,已经在国内中低层建筑中推广应用。目前的研究只是针对低轴压比下的抗震性能,将其推广应用于高层建筑中必然要开展高轴压比下抗震性能的研究。首先从理论上推导了在高轴压比下叠合板式剪力墙的极限承载力,结果表明叠合板式剪力墙由于预制层中混凝土强度等级高于现浇层的混凝土,在高轴压比下叠合剪力墙的极限承载力达到甚至超过了现浇整体剪力墙。基于OpenSEES采用两种不同模型对叠合板式剪力墙在不同轴压比下的受力性能进行模拟。第一种是多垂直杆单元模型,第二种是模型是纤维截面模型。模拟结果验证了理论推导的正确性,边缘构件预制的叠合剪力墙的极限承载力在高轴压比下要高于边缘构件现浇的叠合剪力墙,而且边缘构件预制的叠合剪力墙施工更加方便。因此预制边缘构件的叠合剪力墙推广价值更大。

不同间距设置芯柱-纤维石膏速成板组合墙体抗震性能有限元分析

在对不同间距设置芯柱-纤维石膏速成板组合墙体试验研究的基础上,利用ADINA有限元软件建立不同间距灌芯形式组合墙体的三维有限元模型,结合试验结果验证有限元计算模型的合理性,分析组合墙体的变形破坏特征和抗震性能.通过对组合墙体的数值模拟计算,讨论混凝土灌芯情况和墙体高宽比对组合墙体承载力的影响,结果表明:增加钢筋混凝土芯柱的数目可以有效加强组合墙体的抗侧承载力,组合墙体的破坏模式由弯剪破坏向剪切破坏转变;随着高宽比的增大,组合墙体的开裂荷载和极限承载力降低.

考虑剪切变形的RC薄壁空心墩滞回分析模型

建立了考虑弹塑性剪切变形的钢筋混凝土薄壁空心墩抗震滞回分析模型,模型中以修正的压力场理论(modified compression field theory,MCFT)计算空心墩的剪切变形,并通过Ozcebe建议的滞回规则描述剪切滞回关系,以纤维单元模型模拟空心墩的弯曲变形,两者通过串联模型共同模拟试件在地震条件下的弯剪作用.利用建立的数值模型对1个矩形和3个圆形薄壁空心墩试件的滞回曲线进行了模拟分析.结果表明,不考虑剪切变形的纤维单元模型模拟的滞回曲线与试验结果有较大的误差,难以准确模拟滞回曲线的捏拢效应和耗能能力,并可能高估薄壁墩的刚度和残余位移,而建议的模型很好地模拟了薄壁墩的滞回性能.

改进纤维单元及在配筋墙体抗震研究中的应用

为了研究配筋砌块砌体剪力墙的抗震性能,在6个配筋砌块砌体剪力墙物理试验的基础上,研究并提出了一种考虑弹塑性剪切变形的纤维模型.通过按照试验条件所进行的滞回性能数值模拟与物理试验结果的对比,表明应用所改进的纤维模型模拟计算能较好地反应配筋砌块砌体剪力墙滞回性能.分析也表明,在一定条件下普通的纤维模型对于配筋砌块砌体剪力墙滞回性能分析仍是适用的,但应用本文所研究的纤维单元计算结果更好.在此基础上,利用均匀设计法安排数值试验,回归给出了一字型配筋砌块短肢砌体剪力墙滞回性能特征参数的经验公式,建议了此类配筋砌块砌体剪力墙结构弹塑性地震反应分析的滞回规律模型.

考虑施工因素的装配式钢-混凝土组合剪力墙抗震性能分析

基于Open SEES有限元分析计算平台,建立了能够考虑装配施工缝影响的装配式钢-混凝土组合剪力墙结构的分段纤维模型,通过与足尺装配式钢-混凝土组合剪力墙的试验研究结果对比,得出数值分析结果与试验结果吻合较好,验证了该模型各关键参数的合理性。通过进一步参数分析,研究了钢筋黏结滑移、剪切效应、约束混凝土面积减小等因素对装配式钢-混凝土组合剪力墙结构抗震性能的影响,通过该因素使得建模过程中体现了"装配式建造"因素。计算结果表明,上述因素对结构抗震性能影响不显著,建议在进行此类结构的抗震性能分析中可以忽略。

基于改进纤维模型的RC剪力墙静力弹塑性分析

为了使纤维模型能够有效模拟剪切效应,提出了一种基于塑性理论和虚拟单元法的改进纤维模型RC剪力墙全过程静力弹塑性分析方法.推导出等效单轴应力和等效单轴应变的计算公式,在纤维层面建立考虑剪切效应的应力和应变关系,将纤维由多轴受力状态等效为单轴受力状态,引入虚拟单元法来解决有限元数值计算过程中遇到的负刚度问题.利用自编程序及ABAQUS软件对一片钢筋混凝土剪力墙进行静力弹塑性分析,结果表明,自编程序计算曲线与试验曲线及ABAQUS软件计算曲线吻合较好,能够反映出剪切效应的影响.改进的分析方法简便有效,便于编程,可用于分析剪切效应明显的钢筋混凝土剪力墙构件.

异形柱一框支短肢剪力墙结构在地震作用下非线性地震反应分析

本文结合工程实例,对某框支短肢剪力墙一异形柱框架结构进行了非线性时程分析,介绍了弹塑性地震反应分析中采用的空间整体动力模型、纤维梁元模型、墙元模型及动力微分方程的积分方法。通过分析得到该结构层间位移角包络图和塑性铰分布情况等反映结构性能的指标,分析结果表明:该结构在设防烈度为6度的地区是可行的。

内填钢纤维混凝土-钢管束剪力墙压弯承载能力分析

在合理选用材料本构模型和接触模型的基础上,建立内填钢纤维混凝土的钢管束剪力墙压弯构件的有限元模型,通过对比试验与有限元计算结果,验证考虑钢纤维随机分布有限元模型的准确性和可靠性。利用该模型分析钢纤维体积率、混凝土强度、轴压比等参数对其压弯承载能力的影响,得到上述参数对构件压弯承载能力的影响规律。结果表明:钢纤维的掺入在增强构件承载能力的同时,避免了单纯提高混凝土强度而使构件延性降低。

共旋坐标系下考虑剪切变形的薄壁钢构件纤维梁单元

为实现复杂薄壁截面钢结构的静力弹塑性高效计算分析,提出一种共旋坐标系下考虑剪切变形的薄壁钢构件纤维梁单元。以中长薄壁构件为研究对象,梁单元的刚度矩阵基于欧拉梁理论推导而得。在该单元中,采用一维薄壁单元模拟薄壁截面,可以提供截面纤维信息,考虑材料非线性的影响,并可计算剪切系数,考虑剪切变形的影响。在求解过程中,使用共旋坐标系法扣除单元节点增量位移的刚体位移部分,以加快收敛速度。同时,还提出了材料非线性的数值调整策略,以提高单轴本构模型应用于考虑剪切变形梁单元中的适用性,并开发了专用的计算程序。对弯梁、坦拱、悬臂梁与柱的算例分析验证了所开发程序应对薄壁构件几何非线性、材料非线性计算的准确性;对带肋薄壁钢构件框架的计算分析则表明,该程序可有效预测复杂薄壁截面结构考虑剪切变形后的非线性响应。

常用弹塑性分析软件在建筑结构推覆分析中的计算对比

比较了常用弹塑性分析软件的推覆分析功能,分析了塑性铰模型和纤维束模型在模拟梁柱构件上的差异,纤维束模型、壳元损伤模型和弹塑性墙元模型在模拟剪力墙构件上的差异。通过四个算例对比了五个软件的计算结果,发现各软件计算的结构承载能力存在较大差异。分析了各软件计算结果不同的原因,供设计人员在进行结构推覆分析时参考。

灌芯纤维增强石膏板结构的弹塑性分析

利用多垂直杆元模型建立了混凝土灌芯纤维增强石膏板的力学计算模型,并给出了垂直杆单元和剪切单元荷载-位移骨架曲线的计算方法.利用该计算模型,对一幢六层住宅进行了模态分析,计算出的周期、振型与实测值符合较好,验证了该计算模型的准确性和有效性;同时,还利用该模型对住宅进行了pushover分析,计算出结构在多遇地震及罕遇地震情况下的性能特点,证明该结构的层间位移角既能满足弹性极限的要求,又能满足弹塑性极限的要求,可以利用该模型校核实际工程设计的可靠性.

基于纤维梁柱单元的RC带翼缘剪力墙抗震性能分析

为高效准确地模拟钢筋混凝土构件在复杂荷载作用下非线性行为,采用OpenSees中基于刚度法的纤维梁柱单元,建立一种考虑弯曲和剪切共同作用的RC带翼缘剪力墙非线性分析模型,并对已完成的4个不同边缘构件和截面形式的RC带翼缘剪力墙的拟静力试验进行数值模拟;通过比较数值模拟结果与试验结果,验证有限元模型的准确性;通过有限元分析,研究轴压比(0.1~0.3)、剪跨比(1.8~3.0)、翼缘宽度与腹板高度比(0.5~1.1)、混凝土强度(C30~C45)、纵筋配筋率(0.73%~2.22%)以及箍筋配箍率(0.74%~5.19%)对RC带翼缘剪力墙抗震性能的影响。研究表明:随着轴压比、翼缘宽度与腹板高度比、混凝土强度以及纵筋配筋率的增大,带翼缘剪力墙的承载力逐渐增大,其极限变形能力在翼缘受拉方向也相应增大,而在翼缘受压方向不断减小。剪跨比的增大使得带翼缘剪力墙的承载力明显减小,但是变形能力大幅提高。箍筋配箍率的提高可以有效延缓带翼缘剪力墙翼缘受拉方向的破坏。