MCFT在RC剪力墙非线性分层壳单元中的集成

摘要

剪力墙是高层建筑结构的主要抗侧力防线，目前针对该构件的数值模拟受制于混凝土材料的多维本构、单元模型选取等关键问题，尚未形成成熟非线性有限元模型。此外，剪力墙模型的工程适用性和建模便宜性等严重影响其发展和推广过程，而且能够在高层和超高层建筑结构中满足全过程高非线性分析的剪力墙模型极少，因此，开展剪力墙非线性有限元模型研究很有必要。
　　首先，开展针对剪力墙非线性有限单元模型发展历史的研究，对常见的剪力墙有限单元模型进行了分类和总结，并阐述了模型发展的内在趋势。基于OpenSEES平台中的壳单元ShelIMITC4在C++语言编程平台上进行分层壳单元的建模和调试工作。着重从单元位移模式的建立、单元形函数矩阵的整合、与材料的接口以及单元刚度矩阵等方面，建立分层壳单元的基本框架;加入分层处理相关功能使单元具备自分层、自行计算截面刚度和恢复力的能力。结合OpenSEES进行弹性计算对比，校核分层壳单元的计算精度，最终在有限元分析平台上完成分层壳单元的集成工作。
　　其次，基于修正斜压场理论建立并集成混凝土材料二维本构模型，通过反复调试和模块测试，在有限元分析平台实现与分层壳单元的对接。MCFT是一种以割线模量形成弹性矩阵，基于全量加载和整体式有限元模型原理而建立的变角度弥散裂缝模型。其混凝土材料本构修正和变角度裂缝处理可以借鉴并应用到非线性分层壳模型当中，但限于割线刚度迭代法在结构非线性分析中计算速度较慢等问题，采用切线模量形式进行了改进。此外，对混凝土材料本构受拉段进行平滑处理，实现刚度的平稳过渡，在保证真实反映结构进入软化段后负刚度现象的同时提高数值计算的稳定性。
　　最终在采用集成剪力墙单元和材料模型进行的算例分析和对比中，发现非线性分层壳模型在模拟剪力墙构件受力时与试验结果对比数据良好，充分肯定了本文所建模型的计算能力和计算精度。平滑受拉段的处理方法有利于实现单元刚度的平稳过渡，可以提高剪力墙模型在弹塑性时程分析中的数值稳定性;此外，对混凝土材料弹性矩阵中剪切模量计算方法进行了改进，修正了剪切模量的除零问题。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景、目的和意义

1．2 剪力墙非线性模型综述

1．2．1 剪力墙单元模型综述

1．2．2 多平台剪力墙单元应用简介

1．2．3 相关混凝土材料模型简述

1．3 存在的问题和研究方向

1．4 文主要工作

2 分层壳单元的集成

2．1 引言

2．2 壳单元模型选择

2．2．1 闭锁现象

2．2．2 OpenSEES平台剪力墙单元集成介绍

2．2．3 ShellMITC4单元基本架构

2．3 分层壳单元建模和集成

2．3．1 基本假定

2．3．2 单元模块

2．4 计算精度校核

2．5 本章小结

3 钢筋混凝土材料本构的集成

3．1 引言

3．2 基于MCFT的混凝土本构模型

3．2．1 修正斜压场理论模型

3．2．2 混凝土材料本构建模

3．2．3 材料剪切模量的处理

3．2．4 受拉突变段平滑处理

3．3 钢筋的本构关系

3．4 本章小结

4 非线性分层壳模型的校验

4．1 膜层面的验证

4．1．1 试验模型选择

4．1．2 有限元建模和加载控制

4．1．3 模拟结果校核

4．2 板层面的验证

4．2．1 试验模型选择

4．2．2 有限元建模

4．2．3 模拟结果校核

4．3 与OpenSEES平台分层壳模型的对比

4．3．1 试验模型及有限元划分

4．3．2 两种模型混凝土材料本构对比

4．3．3 模拟结果校核

4．4 本章小结

结论

参考文献

附录

致谢