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.

弹塑性纤维梁柱单元及其单元参数分析

基于柔度法且沿单元长度积分的弹塑性纤维梁柱单元是可以模拟复杂的截面双向滞回曲线和截面刚度沿杆长方向连续变化的单元模型。由于其计算工作量太大,这种复杂的单元自提出以来,一直没有得到推广应用。对弹塑性纤维梁柱单元模型进行了研究,在此基础上对其单元参数进行了分析,通过研究单元积分段以及截面上纤维的合理划分,使计算工作量适当减少而又不影响计算结果准确性,为纤维单元在大型结构中应用打下基础。

基于纤维梁柱单元的钢筋混凝土柱往复荷载作用下破坏过程分析

为高效准确地模拟往复荷载作用下钢筋混凝土构件的破坏过程,基于结构精细化模拟分析平台(RSAPS)中的纤维梁柱单元模型,建立一种考虑损伤破坏的钢筋本构模型,并构建了材料破坏准则,从而建立了钢筋混凝土构件受力破坏的分析方法。应用RSAPS平台对钢筋混凝土柱往复加载试验进行模拟,结果表明考虑钢筋损伤破坏的模型可以很好地模拟构件的刚度和承载力退化过程,模拟结果与试验结果更为吻合;进一步对往复荷载作用下钢筋混凝土柱的破坏过程进行模拟分析,结果表明考虑钢筋损伤破坏的模型能够准确地模拟由于局部材料失效破坏导致的钢筋混凝土构件承载力退化、耗能能力降低等非线性行为,可以较好地描述往复荷载作用下钢筋混凝土构件的破坏过程,可用于地震作用下建筑和桥梁结构倒塌过程分析。

基于纤维梁柱单元的桥梁墩柱地震反应模拟方法研究

为讨论利用纤维梁柱单元进行钢筋混凝土桥墩地震反应分析的建模方法,分别以4个悬臂式单柱墩和1个双柱墩拟静力加载试验,以及1个悬臂式单柱墩的振动台试验结果为依据,基于OpenSees数值分析平台建立了桥墩的地震反应分析模型。通过改变单元数量,分析了基于力的纤维梁柱单元和基于位移的纤维梁柱单元对桥墩地震反应的模拟精度。结果表明:对悬臂式单柱墩的拟静力和振动台试验,可沿墩高仅建立1个基于力的纤维梁柱单元,并在墩底串联1个考虑纵筋塑性渗透和粘结滑移的转动弹簧单元,即可获得很好的模拟结果。当采用基于位移的纤维梁柱单元时,应沿墩高至少建立2个单元,且塑性铰区至少有1个,才能保证获得较高的模拟精度。对双柱墩拟静力试验,采用基于力的纤维梁柱单元建模,沿每个墩高建立2个单元即可;以基于位移的纤维梁柱单元建模,建议沿每个墩高建立3个单元,且其中2个单元布置在塑性铰区。当数值模型可对静力滞回曲线取得很好的模拟结果后,该模型一般可对动力作用下墩顶最大位移和墩底最大剪力进行较为准确的模拟,但对墩顶残余位移的模拟精度无法保证。

基于显式算法的纤维梁柱单元模型

为精细模拟钢筋混凝土桥梁的强非线性行为,利用显式中心差分法,建立一种基于显式算法的纤维梁柱单元模型,并引入到前期建立的纤维梁柱单元实用模拟平台FENAP中。采用该显式单元模型,分别对一钢悬臂梁进行滞回特性分析和对一钢筋混凝土桥墩进行推覆分析,并将计算结果与采用FENAP隐式单元模型和采用OpenSEES软件纤维模型的计算结果进行对比分析。结果表明,所建立的FENAP显式纤维梁柱单元模型可有效模拟材料软化行为,避免由结构负刚度所引起的不收敛,且计算精度较高,为长大桥梁结构倒塌分析提供了一种实用手段。

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。

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。

采用纤维模型梁柱单元对粘钢加固混凝土梁的模拟分析

采用计算机模拟分析加固构件在不同荷载阶段的受力性能,不仅能够减少投入,而且可以得出具有普遍意义的结论。利用纤维模型梁柱单元对粘钢加固混凝土梁的受力过程进行了模拟分析,结果表明,采用该模型可以较好地模拟粘钢加固构件的受荷过程,为结构构件加固性能的研究提供了一种有力的分析工具。

基于刚度退化和纤维单元的RC构件损伤模型

为了评估钢筋混凝土(RC)构件的损伤状态,在Maltab中建立了基于刚度退化和纤维梁柱单元的损伤模型.首先在OpenSees中建立基于纤维梁柱单元的构件、结构数值分析模型,将分析模型所得到的纤维应力、应变值导入在Matlab中所建立的损伤模型,并计算纤维、截面、构件的损伤值.所建立的损伤模型使用再加载刚度退化定义混凝土纤维的损伤,使用低周疲劳准则定义钢筋纤维的损伤,使用塑性应变定义预应力筋的损伤,并分别使用截面抗弯刚度退化、杆端抗弯刚度退化评估截面、构件的损伤.最后,选取循环荷载作用下的一榀预应力混凝土框架结构试验,对所建立损伤模型的适用性进行验证.结果表明:该损伤模型不仅可以准确地预测构件的损伤状态,而且可通过刚度组装和静力凝聚方法在各层次损伤指数间建立紧密的联系.此外,所建立的损伤模型将来可被嵌入OpenSees,直接实现针对混凝土构件和结构的损伤评估.

采用非线性纤维梁单元法的钢管混凝土组合框架动力响应分析

钢管混凝土结构已经广泛应用于我国高层和超高层建筑中,为研究该类结构的抗震性能,分别采用分离模量法和统一模量法对某13层钢管混凝土框架结构进行抗震性能分析,研究不同地震波作用下组合框架的模态和多遇地震下的弹性动力时程,对比组合框架顶点位移反应、加速度反应、层间侧移及动力放大系数等。研究结果表明,分离模量法和统一模量法建模方法在分析钢管混凝土框架抗震动力特性上总体相差不大,但前者可以考虑材料弹塑性,从而对结构弹塑性进行分析,而后者在弹塑性阶段需要用全曲线表达式,尚需进一步的研究。

基于有限单元柔度法和刚度法的非线性梁柱单元比较研究

分别基于有限单元柔度法和有限单元刚度法理论,采用纤维模型梁柱单元编制了钢筋混凝土杆系结构非弹性分析程序。基于柔度法的梁柱单元模型的特点在于以单元截面力插值函数作为出发点,在不考虑几何非线性的前提下,总能保证单元内部截面力场分布满足平衡条件。通过构造的数值算例及钢筋混凝土双向弯曲柱反复加载试验结果与两种方法模拟分析结果的对比,对柔度法与刚度法的分析效果进行了比较研究,并对纤维模型梁柱单元解决空间杆系结构非弹性分析的有效性进行了验证。结果表明:对于结构处于强非线性阶段,尤其是对于处理下降段(软化)问题,基于柔度法的梁柱单元无论从计算效率还是计算效果上都明显优于基于刚度法的梁柱单元;纤维模型梁柱单元是目前处理空间杆系双向弯曲与变轴力耦合问题最为实用有效的单元分析模型。

纤维单元在动力时程分析中的应用研究

介绍了弹塑性纤维梁柱单元,并以一带有柔性矩形墩的悬臂梁桥为例进行动力弹塑性时程分析。分析结果表明:桥墩的塑性变化是从墩顶和墩底向墩身中部扩展的。在此基础上,分析了纤维截面划分、纤维单元塑性铰的数量对结果的影响,可使计算工作减少又不影响计算精度。

钢筋混凝土空心墩延性变形能力分析

基于纤维梁柱单元建立钢筋混凝土空心墩滞回分析模型,与试验结果对比验证模型准确性。在此基础上讨论纵筋配筋、壁厚、混凝土强度、剪跨比等因素对空心墩延性变形能力影响。研究表明:对剪跨比大于7.0的高墩,提高纵筋配筋率可有效增强其延性变形能力;而对于剪跨比小于5.0的中低墩,提高纵筋配筋率对其延性变形能力不利;在轴压比和纵筋配筋率一定情况下,空心墩壁厚对其延性变形能力影响不大,而保持轴力和纵筋配筋量不变时,增大壁厚可有效增加中低墩延性变形能力;且在固定轴力下,增大混凝土强度对提高中低墩延性变形能力效果显著。

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.

桥梁高墩合理计算模型探讨

采用弹塑性梁柱单元和弹塑性纤维梁柱单元分别建立桥梁墩柱的两种计算模型,深入讨论了桥梁墩柱在地震作用下,塑性铰形成、塑性区扩展以及塑性转角、墩顶位移等结构需求,针对弹塑性梁柱单元模型中不同单元划分数量对墩柱地震需求的影响也进行了比较分析。计算结果表明,高阶振型对桥梁高墩地震响应贡献较大,其塑性转角、墩顶位移等地震需求的变化规律与中、低墩明显不同。桥梁高墩在墩身中部及墩底同时形成塑性铰,且塑性区随地震激励的增强而扩展。单元划分数量对桥梁墩柱的塑性转角、墩顶位移等地震需求均有较大影响,最后讨论了两种计算模型在墩柱地震需求计算时的适用性。

钢筋混凝土框架结构体系可靠度分析

结构体系可靠度是一个40年来尚没有得到很好解决的问题,即使对于理想弹塑性体系,经典的结构体系可靠度分析也往往会遭遇两个难以克服的困难:相关失效与组合爆炸。近年来,基于概率守恒原理的随机事件描述,提出了广义密度演化方程,从而将确定性系统和随机系统分析纳入到统一的理论框架之中。基于这一进展,结合结构非线性全过程分析的位移控制算法,本文推导了结构静力非线性发展过程的概率密度演化方程。采用纤维梁柱单元进行结构非线性分析,研究钢筋混凝土框架结构的体系可靠度,并与Monte Carlo法进行对比分析。研究结果证明了概率密度演化理论对结构体系可靠度分析的适用性。

非完全相关荷载下钢筋混凝土框架结构体系可靠度分析

目前框架结构体系可靠度分析大多是在荷载完全相关的假定下完成的,对于非完全相关荷载作用下的体系可靠度研究则鲜有涉及,对于非理想弹塑性或弹脆性的结构尤其如此。本文在随机系统分析的概率密度演化理论的基础上,结合结构非线性全过程分析的位移控制算法,推导了基于归一化位移参数的结构非线性发展概率密度演化方程和承载力裕度的概率密度演化方程。采用纤维梁柱单元进行非线性分析,研究了钢筋混凝土框架结构在非完全相关荷载下的体系可靠度,并与Monte Carlo法进行了对比分析,证明了文中建议方法的可行性。基于文中方法,分析了荷载相关性对可靠度的影响,计算结果表明,荷载相关性对体系可靠度有比较明显的影响。

基于RSAPS平台的钢筋混凝土墩柱损伤分析

基于结构精细化模拟分析平台RSAPS,开发了柔度法纤维梁柱单元模型,并将混凝土单轴损伤本构模型开发到RSAPS材料库中,同时通过引入截面单元模型,结合钢筋应力-滑移关系模型并考虑钢筋黏结滑移效应,建立了钢筋混凝土墩柱构件的损伤分析方法.应用RSAPS平台分别对钢筋混凝土柱的拟静力试验和桥墩的振动台试验进行模拟分析.结果表明,RSAPS平台可有效模拟钢筋混凝土构件损伤演化过程,描述构件的薄弱部位,且具有较高计算效率,从而为桥梁结构地震灾变过程模拟提供了实用的分析手段.

E2地震作用下减隔振桥梁的抗震设计

以某减隔振桥梁为例,建立该桥的三维有限元模型,考虑桩-土相互作用的影响,并根据混凝土和钢筋的材料特性,选取适宜的动力弹塑性本构模型,同时模拟了弹塑性减隔振球型钢支座,并采用人工拟合的3条地震动时程曲线对该桥进行了E2地震作用下的弹塑性时程分析,验算该桥在E2地震作用下的强度及变形。经过详细的验算与分析,验证了本桥设计的安全性和可靠性,并为实际工程中的非规则桥梁在E2地震作用下的抗震验算提供参考依据。

桥梁结构弹塑性地震反应分析新进展

介绍了地震反应分析理论和方法发展的基本概况,并对弹塑性地震反应分析中采用的纤维梁柱单元及国外新近出现的IDA方法进行了详细的说明。在此基础上,对能够有效解决弹塑性地震反应分析计算的OpenSEES软件系统做了介绍。