OpenSees中三种非线性梁柱单元的研究

介绍了OpenSees程序中Nonlinear Beam Column单元、Displacement-Based Beam-Column单元和Beam With Hinges单元的计算原理;通过模拟一个钢筋混凝土柱构件,指出这三种非线性梁柱单元对于截面软化行为各自所具有的优势与不足。

力法非线性梁柱单元的合理单元长度划分

针对目前结构非线性分析中最常用的力法非线性梁柱单元模型,从理论上分析出了能消除其计算失真问题的合理单元长度及对应积分点数量。然后基于OpenSees有限元程序,使用该理论分析结果建立了一组单墩循环推倒试验的数值分析模型,通过加载点力-位移滞回曲线的对比分析和墩底截面曲率滞回曲线的对比分析验证了理论结果的正确性。结果表明:使用力法非线性梁柱单元模型进行结构的非线性数值分析时,其单元长度划分应根据积分点数量确定,确定原则应基于使单元屈服后变形增长的分布长度与塑性铰长度相等进行计算;在实际使用中,可利用等效塑性铰长度计算积分点数量与单元长度的关系,初步确定单元划分的合理长度;在保证单元长度与积分点数量的对应关系前提下,力法非线性单元的积分点数量越多,计算结果越稳定。

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SeismoStruct剪力墙非线性模拟分析

通过已完成的剪力墙构件试验研究结果为参考,采用宏观非线性梁柱框架单元,以几何尺寸相同的原则,简化模拟剪力墙基本力学性能,建立了对应的SeismoStruct非线性模型。分析对比不同高宽比情况下两种非线性梁柱框架单元的模拟结果。研究表明:当剪力墙构件高宽比较大时,采用基于位移的非线性梁柱框架单元,通过细分单元减小单元理论上插值函数带来的误差,可以达到很好的模拟效果。

三种梁柱单元在结构非线性分析中的精确性比较研究

预测结构在罕遇地震作用下的非线性行为是结构基于抗震性能设计和评估中的关键问题,而其首要问题在于解决结构构件的非线性分析模型问题。本文介绍了结构非线性分析中三种常用的宏观单元模型,即基于刚度法的梁柱单元(DB)、基于柔度法的梁柱单元(FB)以及基于柔度法的塑性铰单元(PH)模型。基于PEER柱子试验数据库,将三种单元数值模拟结果与相应的试验结果进行对比,并以峰值强度之比、初始刚度之比和能量耗散能力之比三个指标统计评估了三种单元数值模拟的精确性。研究结果表明,PH单元计算结果的初始刚度之比和能量耗散能力之比均好于DB和FB单元,三种单元计算结果的峰值强度之比较接近,PH单元模拟精度最好。

节点刚度对单层网壳稳定性能的影响分析

节点刚度对大跨度空间网格结构的稳定极限承载力性能具有重要的影响。以具有端部弹簧的非线性梁柱单元作为空间网格结构的分析模型,采用ANSYS软件对单层球面网壳进行非线性稳定全过程分析,研究节点刚度对网壳稳定性能的影响,为考虑节点刚度的大跨度空间网格结构稳定极限承载力分析提供依据,得出了可应用于工程实践的重要结论。

钢筋混凝土框架结构的力学性能研究

基于非线性梁柱单元模型,对柱顶作用垂直集中荷载和水平荷载的钢筋混凝土强柱弱梁门式框架进行了数值分析,研究了梁、柱的变形情况,框架的一阶、二阶非线性效应,柱顶垂直集中荷载对框架承载力、侧移的影响。得出:框架柱的侧移比梁挠度大很多,框架变形以柱侧移为主;垂直集中荷载对框架的水平极限承载力、侧移有明显影响;当有垂直集中荷载作用时,二阶非线性与一阶非线性分析结果比较,二者差异明显,表明几何非线性影响明显。

柔度法考虑钢筋混凝土梁柱单元变形局部化的计算方法

基于性能的设计需要考虑结构及构件在地震荷载作用下的非线性反应,基于柔度法的分布塑性梁柱单元模型可以用较少的单元得到较为准确的结果,也可以很方便地处理因混凝土应变软化带来的变形局部化问题。但这种计算模型在处理局部变形时,若直接根据数值积分求解,计算结果与实际结果偏差较大,而且会出现随着积分点的增加,偏差越大的反常现象。该文分析了产生这一现象的数学力学原因,通过在单元的截面层次上将变形分离为弹性变形和塑性变形,对单元的塑性变形指定塑性区长度,得到了合理的解答。

基于OpenSees的轻度锈蚀混凝土框架结构建模理论

受试验条件及试验周期的影响,基于有限元软件OpenSees平台对相关学科问题运用数值方法进行研究不失为一种可行的研究手段。在权衡计算成本和计算精度后,重点探讨混凝土构件力学性能在纤维层面上的描述方法,选用基于有限元柔度法理论(力或位移插值型函数)和纤维模型法建立起来的非线性梁-柱单元作为有限元分析的基本单元,通过引入零长度单元实现对内嵌纵筋与混凝土间黏结滑移的数值体现,并利用OpenSees面向对象编程和源码开放的特点,植入自定义材料以考虑在役混凝土结构诸类材料的时变特性,建立基于OpenSees的轻度锈蚀混凝土框架结构数值建模理论,并取得了理想的可靠性验证结果。