基于Bouc-Wen模型的RC框架梁-柱节点与结构抗震性能分析

摘要

大量震害调查分析表明,梁和柱的连接处是许多震损钢筋混凝土框架的薄弱部分。随着钢筋混凝土梁-柱节点的试验和理论研究的深入,人们也逐渐认识到节点核心区的严重损伤会引起梁、柱构件甚至整体框架抗震性能的退化。另一方面,我国现行抗震设计规范正在向性能化设计迈进,但是目前抗震规范中的小震弹性设计法没有考虑结构超强的影响,而节点作为结构的重要组成部分,节点的滞回耗能对结构整体的抗震性能和超强具有一定的影响。因此,如何考虑节点的性能退化,建立合适的滞回模型,建立考虑节点核心区影响的钢筋混凝土平面与空间框架结构的精细化有限元模型,并进行非线性静力和动力分析,为将来的节点抗震设计提供计算分析依据成为亟待解决的问题。
　　本文针对钢筋混凝土框架的梁-柱节点开展了一系列的数值模拟与理论分析研究,主要研究内容如下:
　　(1)引入光滑的滞回恢复力模型——Bouc-Wen模型,利用该模型定义了OpenSees中Joint2D节点单元的剪切块滞回性能。由于现行OpenSees版本中的Bouc-Wen材料不能反映钢筋混凝土梁-柱节点的捏拢效应,而OpenSees是源代码高度开放的研究型软件,因此本文基于C++语言平台,添加了捏缩控制参数,使开发后的Bouc-Wen材料模型能反映节点的强度与刚度退化及捏缩效应。
　　(2)为了准确模拟梁-柱节点组合体试验,需要确定合适的模型参数,本文采用擅长多变量优化和全局搜索技术的遗传算法进行参数识别,采用MATLAB软件中的GA工具箱实现了模型参数的识别工作。由于捏缩控制参数具有很强的非线性,识别后的参数需要根据参数分析进行修正才能较好地模拟试验结果。
　　(3)选取国内外五组十一个节点组合体试验,分别考虑了刚节点建模、基于Pinching4材料的Joint2D节点建模和基于改进Bouc-Wen材料的Joint2D节点建模三种情况,对这些节点试验进行了数值模拟,结果表明:改进Bouc-Wen模型可以较好地模拟各节点的滞回反应特性,包括强度与刚度退化效应和捏缩滑移效应。对比改进Bouc-Wen材料模型和Pinching4材料模型的模拟结果,可以发现:折线形的Pinching4材料耗能比试验结果要大得多,加载段的节点刚度随着加载循环次数增加与试验结果偏离越来越大,而光滑的Bouc-Wen材料能够很好地拟合试验曲线,在曲线形状上更贴近试验结果。
　　(4)选取一个六层平面框架进行了静力Pushover分析,结果表明:考虑节点的变形与耗能作用后,框架的超强更大、延性更强。经过平面框架地震反应分析,可以发现:考虑节点建模后,结构的地震响应如顶层位移、层间位移角等都有所减小,说明节点的变形与耗能提高了框架的抗震性能。给出了地震作用下框架各层跨中节点的损伤规律,可以发现:节点损伤的规律与层间位移角相一致,都是底层较大、顶层最小,并且节点在受力过程中发生了强度与刚度的退化和捏缩作用,所以在抗震设计中考虑节点的影响是必要的。

目录

封面

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1研究目的、意义以及背景

1.2国内外相关研究现状

1.3目前节点研究存在的问题

1.4本文主要研究内容

第2章 Bouc-Wen材料模型和节点单元模型

2.1引言

2.2Bouc-Wen模型

2.3Bouc-Wen模型在OpenSees中的应用

2.4梁柱节点单元模型介绍

2.5本章小结

第3章 Bouc-Wen模型的改进与参数识别

3.1引言

3.2Bouc-Wen模型的二次开发

3.3Bouc-Wen模型的参数分析

3.4Bouc-Wen模型的参数识别

3.5本章小结

第4章 RC梁-柱节点试验的数值模拟与研究

4.1引言

4.2节点试验模拟的有限元建模方法

4.3钢筋混凝土梁-柱节点试验数值模拟

4.4滞回耗能分析

4.5节点影响因素分析

4.6本章小结

第5章 考虑节点建模的RC框架静力与动力响应分析

5.1引言

5.2考虑节点建模的平面框架Pushover分析

5.3考虑节点建模的平面框架地震反应分析

5.4本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它研究成果

声明

致谢