基于局部损伤监测的RC框架精细化非线性模型修正

摘要

非线性有限元模拟是研究结构地震响应的重要手段。结构有限元模型存在较多不确定性，现有的结构模型修正方法大多数以结构及材料的线弹性参数为修正对象，包括结构刚度、频率、振型和频响函数等，难以反映结构及材料在地震损伤下的非线性参数。压电智能骨料（Piezoelectric based smart aggregate, SA）可进行混凝土地震损伤全过程的应力行为监测，本文首先设计了使用SA进行混凝土损伤监测的RC框架振动台试验，基于局部损伤监测数据检验了非线性有限元模型分析结果，并提出了有限元模型非线性参数的修正方法。
　　本研究主要内容包括：⑴提出了混凝土局部损伤监测的RC框架振动台试验设计方法。针对小载重振动台试验中低轴压比引起的混凝土小受压区与SA损伤监测需要相对较大受压区的矛盾，本文首先根据SA尺寸优化设计了框架模型受压构件截面尺寸，进而设计了两层一跨的框架结构模型；采用PKPM软件进行结构配筋设计，确定多种可行柱配筋方案；以受压区混凝土损伤最大为原则，利用OpenSees软件进行结构非线性有限元分析，优选截面配筋与地震动输入强度。研究结果表明，对于柱截面尺寸为200mm×200mm、混凝土强度为C30的两层RC框架，柱截面设置腰筋可以有效增大截面混凝土的受压区高度，在0.8g的Loma Prieta地震波作用下，柱混凝土可进入软化段。⑵确定了影响RC框架非线性有限元模型精度的关键因素。利用框架模型材料试验参数以及地震台台面加速度监测数据，通过OpenSees软件对振动台试验进行模拟，模拟参数包括结构位移与加速度、底层柱关键截面的混凝土应力与钢筋应变；对比有限元模拟结果与监测数据，确定有限元模型修正关键参数。研究表明影响有限元分析精度的关键因素包括：框架模型基础转动、混凝土参数的不确定性以及有限元模型中的相关节点假设。⑶基于局部损伤监测数据修正与评价了RC框架结构非线性有限元模型参数。为模拟框架基础与振动台之间相对转动，在有限元模型底层柱柱底添加零长度单元，分别根据弹性及弹塑性阶段监测获得的结构周期确定了零长度单元的双线型弯矩-转角本构关系；基于试验监测得到的混凝土应力、钢筋应变、柱层间变形，基于监测误差最小原则确定了混凝土抗压强度及加卸载规则、抗拉强度与受拉卸载刚度以及纤维模型节点假设的合理取值。研究表明，基于局部损伤监测数据的模型修正可显著提高钢筋钢混框架非线性有限元的模拟精度，并可反映节点等不易精确建模的复杂应力区域的真实受力状态。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 钢筋混凝土结构非线性有限元模型

1.3 结构模型修正研究现状

1.4 压电智能骨料简介

1.5 本文主要研究内容

2 OpenSees有限元程序介绍

2.1 OpenSees程序简介

2.2 OpenSees程序主要架构

2.3 OpenSees程序相关模型

2.4 OpenSees有限元建模

3 RC框架振动台试验设计

3.1 试验背景和目的

3.2 国内外典型振动台情况

3.3 试验模型设计

3.4 试验方案优选

3.5 模型实测参数

3.6 本章小结

4 影响RC框架非线性有限元模型精度的关键因素

4.1 振动台试验监测量

4.2 试验结果与模拟结果对比

4.3 有限元模型误差评价

4.4 本章小结

5 RC框架非线性模型修正

5.1 引言

5.2 基础转动修正

5.3 混凝土本构参数

5.4 节点假设

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢