钢-钢筋混凝土杆系结构三维地震作用下弹塑性时程分析

摘要

近年来，随着大量超限、复杂钢筋混凝土结构的出现，钢筋混凝土结构在地震作用下的弹塑性静力、动力分析日益受到人们的重视。与弹性阶段比较，结构进入弹塑性后，其内力及变形过程都变得非常复杂。寻找合理有效的单元分析模型是解决钢筋混凝土弹塑性受力性能的核心。钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种不同材料组成，混凝土和钢筋本身的各种非线性特征，都不同程度在这种组合材料中反映出来。本文以中央电视台这一实际工程为背景，从材料本构模型、单元模型、动力方程求解方法以及罕遇地震下弹塑性时程分析等方面开展了一系列的研究工作，主要内容有： 一、混凝土本构关系的研究 利用非线性有限元分析程序ABAQUS，研究混凝土弹塑性损伤模型，并提出了适用于ABAQUS有限元程序的单轴受压和单轴受拉混凝土本构模型，混凝土卸载时刚度退化以及拉压刚度恢复的计算方法。通过对ABAQUS进行二次开发，编制用户材料子程序，使上述混凝土材料本构模型在ABAQUS程序计算中得到应用，为钢筋混凝土材料单元在ABAQUS中的应用提供必要条件。 二、梁、柱单元模型研究 采用ABAQUS程序的截面纤维模型单元，以钢筋和混凝土的应力-应变本构关系直接反映构件的恢复力特性，避免采用其它中间假定而导致计算误差的放大。可适用于任意截面的构件，可描述结构构件进入弹塑性阶段后承载力下降的现象，并能直接反映构件轴力与弯矩的相互作用，比以往的恢复力模型具有更高的适用性和准确性，计算过程稳定、收敛性良好。 三、计算模型的试验验证 对本文采用的截面纤维模型进行试验验证，选用已有的两个较好的试验模型(钢筋混凝土悬臂柱在单向反复荷载及双向反复荷载作用下的弹塑性受力性能试验；钢筋混凝土平面框架结构在单调荷载及反复荷载作用下的弹塑性受力性能试验)。分析表明，计算结果与试验吻合较好。计算结果不仅能从宏观反应结构的受力与变形，同时，还可以通过截面的应力-应变状态，从微观上判断构件的受力状态。 四、动力时程分析方法的探讨 文中对动力时程分析中的显式算法和隐式算法进行了比较分析，认为在大型复杂结构弹塑性时程分析中应首先选择显式算法，这种算法不需刚度求逆，不需平衡迭代，没有收敛问题。虽然计算步长较小，但其每一步计算所需时间较少。因此，对于大型复杂结构其总体计算时间反而较少。 五、CCTV结构弹塑性时程分析 本文对一实际结构-中央电视台在罕遇地震下的弹塑性性能进行了详细分析。使用通用有限元软件ABAQUS，材料模型采用混凝土弹塑性损伤模型以及钢筋随动硬化模型。动力积分方法采用显式算法。计算表明，中央电视台结构在分别经历了三条有代表性的天然地震波和人工地震波作用后，该结构虽然有大量的构件进入塑性，但结构本身并未倒塌，实现了“大震不倒”的设防目标；整个结构在大震作用下通过部分构件(主要是斜撑框架)的塑性变形，成功地耗散了大量的地震能量，使得结构的多项性能均比相应的弹性模型计算结果好。采用本文计算模型，能够直接检验结构在大震作用下的安全，不仅能对结构进行定性分析，找出结构在大震下的薄弱层，同时还可以找出结构的薄弱杆件。为今后工程计算人员进行弹塑性分析提供一条有效的途径。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1课题背景

1.2钢筋混凝土结构有限元分析发展概况

1.3高层建筑结构弹塑性抗震设计、分析方法

1.3.1结构动力计算模型

1.3.2单元模型

1.3.3结构和构件的恢复力模型

1.3.4弹塑性时程分析与弹塑性静力分析

1.4本文主要研究工作

第二章混凝土和钢材的本构关系

2.1混凝土单轴受力本构关系

2.1.1单轴受拉

2.1.2单轴受压

2.1.3重复荷载作用下混凝土应力-应变关系

2.1.4反复荷载作用下混凝土应力-应变关系

2.2混凝土损伤模型建立

2.2.1概述

2.2.2混凝土损伤及刚度退化

2.3本文建议采用的混凝土本构模型

2.3.1单轴受拉混凝土应力-应变关系

2.3.2单轴受压混凝土应力-应变关系

2.3.3混凝土拉压损伤系数

2.3.4拉压的刚度恢复

2.4混凝土本构模型在ABAQUS程序中的实现

2.4.1 ABAQUS用户材料子程序的结构和接口

2.4.2 ABAQUS用户混凝土材料子程序的连接与应用

2.5反复荷载下钢材本构关系

2.6 小结

第三章基于截面纤维模型的梁柱单元弹塑性分析

3.1截面纤维模型单元基本假定：

3.2截面纤维单元模型的特点：

3.3截面纤维单元模型的建立

3.4计算实例验证

3.4.1试件概况

3.4.2有限元模型

3.4.3计算分析

3.5小结

第四章低周反复加载下平面框架受力分析

4.1平面框架试验研究

4.1.1试验概况

4.1.2试验过程及现象

4.1.3试验结果分析

4.2结构模型非线性数值分析

4.2.1数值计算模型建立

4.2.1单向水平荷载下结构的反应

4.2.2反复荷载下结构的反应

4.3小结

第五章ABAQUS动力时程分析方法

5.1动力学问题基本方程

5.2时间积分方法

5.2.1 Newmark时间积分方法

5.2.2显式Newmark时间积分方法

5.2.3隐式Newmark法

5.3自动时间步长控制方法

5.3.1自动时间步长控制方法的运用

5.3.2自动时间步长控制原理

5.4隐式算法中自动时间步长运用

5.5临界稳定步长法探讨

5.6隐式算法与显式算法动力学分析特点

5.7地震波

5.7.1输入地震波的选择

5.7.2人工地震波合成原理

5.8阻尼

5.8.1阻尼矩阵

5.8.2阻尼比

5.8.3阻尼比取值

5.9小结

第六章CCTV结构弹塑性时程分析实例

6.1概述

6.2整体计算模型的建立

6.2.1计算模型的转换

6.2.2钢筋混凝土梁、柱截面

6.2.3钢梁、柱和斜撑截面

6.2.4型钢混凝土柱截面

6.3施工过程模拟

6.4结构动力特性

6.4结构弹塑性时程分析

6.4.1整体坐标轴约定

6.4.2地震波

6.4.3结构的变形

6.4.4基底剪力时程

6.4.5最大层间位移角曲线

6.4.6角部支撑点Z向反力时程

6.4.7结构构件的塑性变形

6.4.8计算结果汇总及其抗震性能评估

6.5关于结构弹塑性变形的进一步探讨

6.5小结

第七章结论与展望

7.1本文主要结论

7.2展望

致谢

参考文献

在读期间学术论文发表情况