钢筋混凝土结构多尺度建模与数值分析

摘要

结构多尺度有限元分析是指通过一定的方法将计算效率较高的粗糙单元与计算精度较高的精细单元在同一个模型中耦合，从而使整个结构的反应分析达到精度与计算效率之间的一种平衡，且该方法也是一种能为大型工程结构提供分析局部构件破坏的方法。结构多尺度模拟与分析在工程上具有深远意义，应该受到更多的关注，是一个具有巨大挑战性的研究课题和领域。本文采用通用有限元软件ABAQUS，在软件中实现了精细单元与粗糙单元之间的界面耦合及变形协调，并通过算例验证了耦合方法的实用性和精确性。主要做出了以下几方面的工作:
　　(1)对不同情况的多尺度建模与数值分析进行尝试，包括同类型不同尺度单元模型的耦合分析与不同类型单元模型的耦合分析。简单介绍了不同情况下耦合方式以及通用有限元软件ABAQUS中各类耦合手段的特点以及使用方法。通过不同的耦合命令来实现局部精细单元和整体结构粗糙单元耦合的多尺度计算。并且通过简单的算例，分别验证了耦合的精度和效率。
　　(2)研究了不同单元在ABAQUS中模拟的不同情况，讨论了关于不同单元混凝土本构选择，钢筋模拟等问题。实现了混凝土构件多尺度建模与分析，为后续的大型结构多尺度数值分析打下了理论基础。利用第二章所介绍的耦合方式对多尺度混凝土构件的模拟进行尝试，以某一悬臂梁结构为算例分析。模拟结果理想，各模型时程曲线变化趋势基本一致，多尺度模型上各节点的参数值与精细模型上的节点参数值更为接近，并且多尺度模型的计算时间相对精细尺度模型有所减少。
　　(3)举例说明了实际工程中多尺度分析方法的应用，分别对平面框架模型和剪力墙结构模型进行了多尺度模拟，给出了这两种结构不同尺度的模型地震反应下的时程分析，比较验证了多尺度模型的精度。讨论了关键构件节点选取，局部损伤分析等问题。平面框架模型中，以梁单元来模拟梁柱，分析后找出关键构件、节点以实体单元模拟，高层混凝土剪力墙结构的模拟过程中，以梁单元来模拟框架梁柱等，板壳单元来模拟板、墙等构件，关键构件仍以实体单元模拟。耦合方式并非单一的一种，仍采用第二章所述内容进行界面连接。对多尺度模型与板壳单元模型进行综合的分析与比较，包括模态分析，动力弹塑性时程分析。