考虑长周期地震动作用影响钢结构梁柱节点损伤退化行为研究

摘要

强震作用下高层或超高层钢结构的构件或节点在累积塑性变形影响下强度及刚度均可能发生退化，甚至影响结构的整体受力性能。现行抗震规范对于多遇地震及结构响应持续时间较短的强震作用适用性较好，而对于长周期地震动作用，以目前的结构、构件或节点的抗震设计可能会存在一定的局限性。
　　长周期地震动一般指卓越周期从几秒到十几秒的远场地震动，其特点是峰值加速度较低，持续时间较长，长周期成分丰富。由于高层、超高层建筑物的自振周期长，因此在遭遇长周期成分突出的地震时会遭受严重破坏。在具有持时长特点的长周期地震动作用下，现有高层特别是超高层结构的累积塑性变形能力尚不确定，探索考虑长周期地震动影响的构件或节点损伤累积退化行为是一重要的学术课题。
　　本文以已有试验中的钢结构梁柱节点试件为研究对象，利用ABAQUS有限元软件建立三维有限元模型，采用Fortran语言编写Chaboche用户材料子程序UMAT，并进行对应试验加载制度下的数值模拟分析，以验证用户材料子程序UMAT编写的合理性、精确性;并运用自编Chaboche非线性随动硬化模型扩展子程序，通过施加含持续位移幅值的多种加载制度，研究节点的滞回性能、退化特性、滞图耗能以及屈曲性熊等，以明确考虑长周期地震动作用影响的节点损伤退化特征。主要研究工作和成果如下:
　　1.Chaboche非线性随动硬化模型的确立。基于Chaboche模型的相关公式及积分算法，利用ABAQUS用户材料子程序UMAT二次开发技术，编写出Chaboche非线性随动硬化子程序。并对已有无焊孔粱柱节点试验进行有限元拟静力分析，所编制UMAT材料子程序的准确性得以验证。
　　2.Chaboche非线性混合硬化模型（MⅨ模型）在计算精度方面的贡献。在传统Chaboche模型基础上编写非线性混合硬化模型（MIX模型）扩展子程序，分析结果通过已有无焊孔梁柱节点试验进行验证，结果表明:从运用MIX模型的模拟结果看节点极限承载力方面的精度更好。
　　3.含大位移幅值循环的多种加载制度下的无焊孔梁柱节点拟静力有限元分析。为了研究地震作用下长周期分量的影响，利用自编Chaboche非线性混合硬化本构模型扩展子程序，设置16种含持续位移幅值的加载制度，系统分析不同加载制度下节点强度和刚度的退化情况，对比分析滞回性能、损伤退化特性、滞回耗能特性及屈曲性能等各项指标。结果表明不同加载制度对节点的强度或剐度造成不同程度影响，节点屈曲性能也随之发生变化，具有一定的规律。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 长周期地震动特性及其对结构影响的研究现状

1．2．1 长周期地震实例

1．2．2 长周期地震动特性

1．2．3 长周期地震动作用下结构层面钢结构抗震性能研究现状

1．3 国内外钢结构累积损伤行为研究

1．3．1 钢框架损伤分析方匿的研究现状

1．3．2 钢框架梁柱节点研究现状

1．4 局部屈曲性能研究现状

1．5 材料本构模型

1．6 难点问题的提出

1．7 主要研究内容

1．8 论文构成

第2章 数值模拟相关理论和方法在ABAQUS中应用

2．1 引言

2．2 显示分析与隐式分析

2．2．1 ABAQUS功能模块概述

2．2．2 ABAQUS／Explicit与Standard模块的区别

2．3 本研究中有限元分析的主要步骤

2．3．1 完整分析过程中的文件联系

2．3．2 具体操作过程

2．4 ABAQUS中的材料非线问题

2．4．1 材料非线性相关理论

2．4．2 计算迭代原理

2．4．3 非线性问题的算法

2．5 几何非线性

2．6 单元技术

2．7 ABAQUS的用户子程序

2．7．1 概述

2．7．2 ABAQUS用户子程序UMAT安装

2．7．3 ABAQUS用户子程序UMAT调用

2．7．4 ABAQUS用户子程序UMAT接口

2．8 本章小结

第3章 ABAQUS用户材料子程序UMAT开发与验证

3．1 引言

3．2 模型描述

3．2．1 Choboche模型的相关公式

3．2．2 Chaboche本构模型的积分算法

3．3 有限元应力更新算法

3．4 用户子程序UMAT的开发与运行

3．4．1 子程序UMAT开发流程

3．4．2 子程序UMAT中的状态变量

3．4．3 子程序UMAT中的状态变量赋值

3．4．4 子程序UMAT中的收敛闻题

3．5 材料模型的试验验证

3．5．1 试验方案

3．5．2 材料特性参数

3．5．3 单元类型确定及网格划分

3．5．4 ABAQUS求解及分析步设置

3．5．5 有限元模型的约束条件及边界条件

3．5．6 加载制度

3．5．7 UMAT子程序中的参数

3．6 试验结果与有限元结果的对比分析

3．6．1 节点破坏形态和应力云图对比分析

3．6．2 滞回曲线

3．6．3 骨架曲线

3．6．4 梁端塑性转角和总位移

3．6．5 等效粘滞阻尼系数he

3．6．6 位移延性系数μ

3．6．7 主要参数对比分析

3．7 混合硬化模型描述

3．7．1 混合硬化模型的主控方程

3．7．2 本构模型的基本公式

3．7．3 应力更新算法

3．8 混合硬化模型子程序的二次开发

3．8．1 混合硬化模型子程序的计算步骤

3．8．2 子程序的开发流程图

3．9 混合硬化模型的有限元分析验证

3．9．1 几何模型

3．9．2 予程序中的计算参数

3．9．3 试验结果与有限元结果的对比分析

3．1 0构件局部屈曲性能方面的研究

3．10．1 概述

3．10．2 有限元计算模型

3．10．3 基于不同材料本构模型的计算结果比较

3．11本章小结

第4章 考虑长周期分量的多种加载制度对梁柱节点损伤退化行为影响

4．1 引言

4．2 有限元模型

4．2．1 试件模型

4．2．2 子程序UMAT中的模型参数

4．3 循环加载制度的设置

4．4 累积损伤退化行为分析

4．4．1 滞回性能

4．4．2 损伤退化特性

4．4．3 滞回耗能特性

4．4．4 屈曲性能

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．1 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作

致谢