基于分层壳单元的楼板面内受力性能研究

为研究楼板在地震作用下的受力性能,采用非线性有限元软件ABAQUS分层壳单元对剪力墙试验结果进行模拟对比,确定所采用混凝土与钢材本构以及计算参数的可靠性。针对典型混凝土楼板在复杂受力状态下的受力性能进行有限元分析,考察简化计算方法对评估楼板面内拉、压、剪承载力的适用性。分析结果表明,采用简化方法确定混凝土楼板在设防烈度下的承载力时,与有限元计算结果较为一致。根据工程中混凝土楼板在地震作用下的损伤判别标准,提出楼板抗震性能加强措施。

基于分层壳单元与纤维梁单元组合剪力墙滞回性能分析

为系统研究带边框组合柱剪力墙组合结构的抗震性能,基于分层壳单元与非线性纤维梁单元,在ABAQUS软件中进行用户材料模型子程序二次开发。用分层壳单元模拟剪力墙,纤维梁单元模拟外围组合框架,分别对钢管混凝土组合框架、带钢管混凝土边框柱及型钢混凝土边框柱的组合剪力墙进行低周往复加载试验数值模拟。计算、试验结果总体吻合较好。在此基础上,对比分析该类组合剪力墙滞回性能、受力特征及破坏特征,数值模拟获得墙板在典型时刻的裂缝分布等与实测结果接近。研究表明,采用分层壳单元与纤维梁单元能较准确、有效模拟带边框柱组合剪力墙体系的滞回性能,亦能较好描述剪力墙裂缝发展情况。该方法可为实现高层建筑钢与混凝土混合结构体系抗震性能有效、准确的数值模拟分析提供参考。

采用通用有限元程序的弥散裂缝模型和分层壳单元模拟钢筋混凝土构件裂缝宽度

该文基于弥散裂缝模型,采用通用有限元程序的分层壳单元计算钢筋混凝土构件裂缝宽度的方法。讨论了理论基础,Bazant和Oh提出的经典裂缝带理论主要针对素混凝土构件,严重的局部化效应导致显著的网格依赖性,而将裂缝带理论拓展到工程常用的配筋混凝土构件时,由于多裂缝分布发展的特点,裂缝带宽应修改为平均裂缝间距而使计算结果与网格无关。在理论基础讨论的基础上,给出了采用通用有限元程序的弥散裂缝模型和分层壳单元计算钢筋混凝土构件裂缝宽度的计算流程,其中,平均裂缝间距将有限元分析中的“应变”概念和工程设计中的“裂缝宽度”概念紧密联系起来,是计算流程中最关键的参数。以某承受负弯矩的简支组合梁混凝土板开裂分析为例,验证并讨论了网格相关性、大软化模量导致数值收敛困难的应对策略、平均裂缝间距的决定性作用等重要问题。

一种非线性显式分层壳单元及其GPU并行计算实现

通用有限元程序ABAQUS的钢筋混凝土显式分层壳单元被广泛应用于剪力墙抗震性能分析,但存在两个缺陷:①只能得到混凝土受压损伤和受拉损伤,无法反映混凝土剪切损坏,因此不易根据损伤类型对结构进行优化;②基于CPU并行计算,大规模计算效率较低。基于平面应力条件下的混凝土弹塑性损伤本构模型,根据混凝土损伤发展时的受力状态和工程实践需要将损伤分为受拉损伤、受压损伤和受剪损伤。结合可损伤分类的塑性损伤模型,给出了非线性壳元物理沙漏力和面内旋转力的构造方法,进而得到一种含面内旋转自由度的4节点24自由度四边形非线性显式分层壳单元。将该研究壳元在自主研发的基于CPU+GPU异构并行计算的非线性分析软件中完成开发实现;通过与ABAQUS benchmark算例结果对比,验证了开发内容的正确性;通过与剪力墙单调加载试验对比,验证了该研究壳元的合理性。分别采用自主研发软件和ABAQUS对上海地区某框架核心筒体系的超高层结构进行了罕遇地震非线性时程分析,结果表明:①自主研发软件与ABAQUS结果基本一致,而计算效率为ABAQUS计算效率的5.69倍;②自主研发软件得到的受拉损伤、受压损伤和受剪损伤损伤可更清晰地揭示核心筒在罕遇地震作用下的损坏演化规律和破坏模式。

夹芯层分层壳单元在夹芯混凝土结构中的应用

现浇混凝土空心楼板、空心剪力墙、复合墙板以及配筋砌块砌体剪力墙等一系列夹芯混凝土结构,因其内部存在不连续的孔洞,或填充或空心,导致结构内部受力异常复杂,其非线性力学性能很难被高效准确地计算.为此,在分层壳单元的基础上,针对夹芯混凝土构件的材料布置特点,提出了夹芯层分层壳单元,即通过设置至少2条对称的连续夹芯层,根据截面面积和抗弯刚度相等的原则确定夹芯层厚度和距截面中性轴距离,并以此实现对各组成材料的层划分.经混凝土空心楼板及配筋砌块砌体剪力墙试验验证,夹芯层分层壳单元能较好地反映夹芯混凝土构件内部的钢筋、混凝土以及夹芯层的非线性受力性能,计算结果与试验结果吻合较好.为此,对采用现浇混凝土空心楼板的湖北某高层钢筋混凝土框架-筒体结构进行了动力弹塑性时程分析.计算结果表明,夹芯层分层壳单元能高效准确地反映空心楼板受力性能,具有良好的工程适用性,在解决夹芯混凝土结构的静动力弹塑性分析方面具有一定参考价值.

基于分层壳单元的钢管-双钢板混凝土组合剪力墙弹塑性有限元分析

钢管-双钢板混凝土组合剪力墙是将钢管混凝土剪力墙与钢板混凝土剪力墙结合的一种新型抗侧力构件。基于分层壳单元,采用有限元软件MSC Marc建立6片钢管混凝土剪力墙模型。通过钢筋应力与混凝土应变云图揭示钢管混凝土剪力墙在荷载作用下的微观受力状态;通过基底剪力-顶点位移曲线分析钢管混凝土剪力墙的承载力、延性及耗能能力。结果表明:钢管混凝土剪力墙有限元计算结果与试验结果吻合良好。在钢管混凝土剪力墙模型基础上,又建立3片钢管-双钢板混凝土组合剪力墙模型对其进行分析,结果表明:基于空间分层壳单元的有限元模型能够有效模拟钢管-双钢板混凝土组合剪力墙的非线性性能,在剪力墙结构地震下弹塑性分析方面具有一定参考意义。

非线性分层壳单元模拟剪力墙探讨

在实际工程中,钢筋混昆凝土剪力墙是结构设计的重要构件。应用SAP2000 V14程序建立基于非线性分层壳单元的剪力墙模型,与文献[1]的剪力墙实验模型进行比较,通过计算结果与实验结果对比,两者吻合较好,由此验证用非线性分层壳单元来模拟剪力墙是正确有效的,可将这种分析方法推广应用于实际工程当中。

分层壳单元在叠合板有限元计算中的应用

叠合板的应用是建筑工业化进程中的研究热点,叠合板的有限元计算均采用实体单元模型进行分析,由于实体单元单元数随板的尺寸增大急剧增加,因此不适于建筑整体有限元分析。文章基于符合材料原理,提出对板厚进行补偿来考虑格构腹弦杆对板刚度的补偿以及对混凝土约束作用的分层壳叠合板受弯分析模型。通过对比实体单元叠合板模型计算结果后表明,该模型与实体单元叠合板模型的计算结果吻合,且与理论吻合较好,可以用于采用叠合板的整体建筑的非线性分析。

基于分层壳单元的现浇混凝土空心楼板数值模拟

现浇混凝土空心楼板中由于存在不连续的孔洞,目前常采用的实体单元分析既复杂且计算效率低。分层壳单元根据组成材料的不同将壳分成多层,可考虑面内弯曲-面内剪切-面外弯曲之间的耦合作用,能够较全面地反映壳体结构的空间力学性能。该文在分层壳单元的基础上,通过设置2条对称的连续"空心层",根据面积和刚度相等原则,经计算得到"空心层"厚度和距截面中性轴的距离,并以此对分层壳单元各组成材料进行划分。通过与试验进行对比,数值模拟结果与试验结果吻合良好,表明该文提出的"空心层"分层壳单元具有较高的精度,能较准确的模拟混凝土空心楼板各项非线性力学性能,且建模方便具有很好的实用性,可运用于实际工程。

基于分层壳单元的安全壳结构有限元分析

为了研究某核电预应力混凝土安全壳结构在强震动作用下的响应,采用分层壳单元建立有限元三维模型,并进行时程分析和静力非线性分析。对安全壳1∶10模型结构进行非线性有限元分析,计算该模型的动力特性、初始刚度、最大基底剪力和筒体顶的最大位移。计算分析表明:当试验模型基础处输入地震动峰值加速度达到3g(根据相似关系,试验调整值)时,筒壁底部和设备阀门孔处混凝土的最大拉应力超过4MPa,而穹顶的混凝土大部分处于受压或拉应力小于0.5MPa。有限元计算结果与以往拟动力试验结果较为吻合,验证了安全壳具有足够大的抗震安全存储,为抗震设计提供参考。

基于分层壳单元的配筋砌块砌体剪力墙数值模拟

基于分层壳单元,根据面积和刚度相等原则,计算得到2条对称于中性轴的连续"灌芯层"厚度和距截面中性轴的距离,并以此建立基于"灌芯层"分层壳单元的有限元分析模型.通过与试验结果进行对比,表明"灌芯层"分层壳单元具有很好的实用性,能较准确地模拟配筋砌块砌体剪力墙的非线性力学性能,可用于实际工程.

隔离非线性分层壳有限单元法

分层壳单元由于其模型简单,物理意义清晰,被广泛应用于建筑结构的有限元数值模拟中。该文基于隔离非线性有限元法提出了分层壳单元的高效非线性分析模型,将分层壳单元的截面变形(应变和曲率)分解为线弹性变形和非线性变形,以单元中面的高斯积分点作为非线性变形插值结点,建立了非线性变形场,并根据虚功原理,推导了分层壳单元的隔离非线性控制方程,采用Woodbury公式和组合近似法联合求解控制方程。依据时间复杂度理论的统计分析表明:该文建立的方法相较于传统变刚度有限元方法在非线性分析效率方面具有显著优势。并与有限元软件ANSYS的计算结果进行对比,验证了该文方法的准确性。

基于分层壳单元模型超大型冷却塔风致倒塌机制与失效准则

历史上超大型冷却塔风毁事件多次发生,国内外现行规范中缺乏超大型冷却塔风致倒塌机制与失效判别准则。以我国西北地区某在建高228 m的冷却塔为背景,建立分层壳单元模型,考虑塔筒的多尺度壁厚及配筋率变化,通过刚体测压风洞试验获取了冷却塔表面风荷载,结合增量动力分析法分析了典型风速下塔筒位移和内力响应,确定临界倒塌风速为83 m/s;基于节点失效前后von Mises应力变化规律提炼了冷却塔倒塌过程中3种内力重分布机制,结合塔筒喉部位移构建了结构变形失效准则。研究表明:采用分层壳单元模型可以有效模拟超大型冷却塔倒塌全过程,中心破坏区域扩散形成裂隙网,直至完全倒塌破坏;塔筒首个单元失效首先引发滑动面机制,随后以转动铰机制和滑移面机制为主进行内力重分布;当结构变形失效指标(喉部迎风面与背风面的相对水平位移与喉部直径之比)不小于1.5%时,超大型冷却塔失效倒塌。

钢筋混凝土剪力墙非线性单元模型的研究

本文首先对等效框架模型、多竖直杆单元模型作了改进。然后应用改进等效框架模型、改进多竖直杆单元模型及分层壳单元模型,对不同轴压比的三片剪力墙构件模型与一个14层筒中筒结构模型进行了计算分析,并与实验结果作了比较。结果表明:改进多竖直杆单元模型在所有情况下均可取得较好结果,是适用性较强的剪力墙非线性单元模型;多层壳单元模型在轴压比较大时可取得很好的结果,当轴压比较小时,应用多层壳单元模型应慎重;改进等效框架模型只在轴压比适中时可取得较好结果,其他情况下可能会引起较大的计算误差。

大跨度钢筋混凝土空间曲面板壳结构分析及设计

成都大慈寺文化商业综合体项目中酒店一层中庭楼板造型复杂,为保证建筑功能和美观要求,采用大跨度钢筋混凝土空间曲面开洞板壳结构形式。楼板设计采用细化弹性有限元线性分析和分层壳单元非线性分析。

常规混凝土框剪结构连续倒塌动力响应分析

多高层办公建筑主要采用混凝土框剪结构,其在局部结构构件失效下的整体结构连续倒塌可能引发严重的经济损失和社会影响。该文针对常规结构布置的典型框剪结构开展了动力连续倒塌分析,总结其规律为结构毁伤下的连续倒塌快速评估提供依据。主要工作包括:按照不同抗震设防烈度、跨度、层数设计了18个典型结构布置的框剪结构,并采用纤维梁单元和分层壳单元建立了整体结构的数值模型库;采用非线性动力拆除构件法对整体结构开展了计算分析,获得结构系统在局部构件失效下的动力响应;对比分析不同结构的连续倒塌动力响应,研究不同参数对连续倒塌后果的影响。

廊桥壁式桥墩的数值分析模型对比研究

以一座梁式廊桥的壁式桥墩为例,基于有限元分析软件OpenSees,分别采用分层壳单元和纤维梁单元对其进行弱轴方向上的低周反复加载下的数值分析,对比研究了2种数值模型的滞回曲线和骨架曲线,并在位移延性比的基础上,给出了壁式桥墩各破坏状态的指标临界值。结果表明:分层壳单元模型和纤维梁单元模型均能很好地模拟壁式桥墩的承载力变化、剪切效应以及损伤累积,但前者可以更明确地表征不同侧向荷载加载方式下局部位置的抗震性能。同一损伤状态下,分层壳单元模型和纤维梁单元模型得出的壁式桥墩位移延性比差异较小。文中壁式桥墩基于位移延性比的损伤状态划分的临界值,可分别取为0.27,1.00,2.33,5.33,验证了采用普通柱式桥墩的损伤状态极限值作为壁式桥墩的各面外损伤指标值的可行性。

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。

基于新型大变形平板壳单元的剪力墙模型及其在OpenSees中的应用

数值模拟是研究超高层建筑地震灾变行为的重要手段。地震作用下,剪力墙作为超高层结构的重要抗侧力构件往往呈现出复杂的受力状态,甚至因结构倒塌而产生大变形破坏,因此有必要开发一个能准确考虑大变形的剪力墙单元。该文基于广义协调元理论和更新Lagrangian列式,提出了一种高性能四边形平板壳单元及其几何非线性列式,并将该模型集成于开源有限元程序OpenSees中,以经典算例验证了该单元的性能和应用于大变形计算的可靠性。通过将该单元与分层壳截面结合,该文对多种类型的剪力墙构件进行了模拟,并将模拟结果与试验结果进行对比,验证了该单元能较好的模拟剪力墙的复杂受力特性,且能有效模拟钢筋混凝土构件倒塌的关键特性,为进一步开展基于OpenSees的超高层结构地震灾变行为研究提供参考。

微平面模型在剪力墙结构计算中的应用

在适用于剪力墙结构非线性分析的分层壳墙单元模型基础上,对其中的混凝土本构模型和钢筋本构模型进行讨论,采用一种能较好的模拟混凝土在多轴复杂应力状态下特性的microplane模型和一种能够全面反映钢筋在往复载荷下各种复杂受力特性的钢筋本构模型,分别模拟混凝土和钢筋的力学行为特征.利用所提模型进行实例建模,结果表明,该模型能准确模拟剪力墙在各种受力状态下的单向和往复力学行为,可应用于剪力墙结构的非线性有限元分析计算.