防屈曲支撑混凝土框架抗震性能非线性有限元分析

摘要

防屈曲支撑作为一种新型耗能支撑，受拉与受压状态下均可屈服，既克服了传统普通支撑受压屈曲的缺点，又具备良好的消能减震性能，在日本、美国工程应用日益广泛，而在我国的研究与工程应用刚刚起步。我国国土辽阔，地质构造复杂，防屈曲支撑的工程应用前景十分广阔。
　　 目前，国内外的防屈曲支撑研究主要是集中在防屈曲支撑构件及防屈曲支撑钢框架方面。对防屈曲支撑混凝土框架的试验和分析国内外暂时相对缺乏。本文针对课题组已有防屈曲支撑构件及防屈曲支撑混凝土框架试验基础上进行非线性有限元分析，论文包括分析防屈曲支撑混凝土框架结构承载能力、内部受力过程、内力分配及重分配规律、改进内部配置、优化结构设计，还可为进一步研发、改进内部构造提供模型基础等，以弥补试验试件不能过多、试验中应变片多处被损坏等诸多不理想的情况。
　　 本文主要进行了以下工作：运用ABAQUS对三个试件进行了非线性有限元分析，分析破坏形态，提出设计建议。首先，采用ABAQUS/CAE进行前期建模，运用ABAQUS/standard进行计算，混凝土采用弹塑性损伤模型，钢筋和钢板采用双折线弹塑性模型，钢筋、预埋件与混凝土单元之间的相互作用采用嵌入（embed），套管与钢芯之间的相互作用采用接触（contact）模拟；
　　 其次，利用非线性有限元分析软件ABAQUS对防屈曲支撑混凝土框架的有限元模拟单元选择如下：框架梁柱及套筒采用六面体8节点减缩积分单元（C3D8R），连接件及钢芯采用六面体8节点非协调积分单元（C3D8I），预埋件钢板采用平面4节点四边形有限薄膜应变线性减缩积分壳单元（S4R），预埋件钢筋采用桁架单元（T3D2），钢筋采用表面单元（SFM3D4）进行模拟；
　　 再次，对可能影响防屈曲支撑混凝土框架作用的因素进行了一定研究，本文试图对试验中的构件进行单向加载以期获得与试验相吻合的骨架曲线，并进行了反复低周加载，获得分析模型的滞回曲线。经过与试验情况对比，获得了与试验现象基本一致的应力分布图。经过分析荷载与位移之间的关系，研究了这些影响防屈曲支撑结构消能减震和抗震性能的关键参数的变化规律，还对防屈曲支撑恢复力模型的关键参数进行了分析研究并提供了建议和参考。
　　 最后经对比验证，其计算结果与已有试验结果吻合较好，表明该模型能够比较准确而有效地模拟防屈曲支撑混凝土框架的受力破坏全过程，为进一步研究防屈曲支撑混凝土框架的性能提供了基础。总之，通过本文的研究，明确了防屈曲支撑混凝土框架的破坏机理、耗能机制以及承载力等抗震性能的变化，为以后的理论研究和工程应用提供了参考。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 本文研究背景

1.3 防屈曲支撑及其研究进展和工程应用

1.3.1 相比于传统支撑的优势

1.3.2 国外研究进展

1.3.3 国内研究进展

1.3.4 防屈曲支撑的工程应用

1.4 研究内容及其意义

第2章 有限元、防屈曲支撑和预埋件基本理论

2.1 有限元基本理论

2.1.1 有限元发展概况

2.1.2 有限元分析过程

2.1.3 非线性问题

2.2 防屈曲支撑稳定基本理论

2.2.1 支撑整体稳定性

2.2.2 钢芯自身的屈曲稳定

2.2.3 连接段的稳定性

2.3 防屈曲支撑及防屈曲支撑框架恢复力模型介绍

2.3.1 防屈曲支撑的恢复力模型

2.3.2 防屈曲支撑框架的恢复力模型

2.4 预埋件研究

2.4.1 配置直锚筋的弯剪预埋件的受力性能

2.4.2 拉剪预埋件的受力性能

2.5 本章小结

第3章 防屈曲支撑混凝土框架有限元分析原型

3.1 有限元分析模型的结构原型

3.2 消能减震方案

3.3 框架结构、防屈曲支撑的刚度及相关构造参数

3.4 本章小结

第4章 防屈曲支撑混凝土框架试验简介

4.1 试验条件概况

4.2 分析所用到的材质试验结果

4.3 单斜式支撑普通梁框架（BRB-CF1）试验简介

4.4 单斜式支撑宽扁梁框架（BRB-CF2）试验简介

4.5 人字式支撑普通梁框架（BRB-CF3）试验简介

4.6 本章小结

第5章 单向加载下防屈曲支撑混凝土框架抗震性能非线性分析

5.1 ABAQUS简介

5.2 钢筋混凝土结构的本构关系

5.2.1 混凝土的本构关系

5.2.2 ABAQUS中混凝土的本构关系

5.2.3 钢筋的本构关系

5.3 几何模型的建立

5.3.1 定义模型材料属性和建立几何模型

5.3.2 划分网格和定义单元类型

5.3.3 施加荷载和边界条件

5.3.4 加载方案

5.4 基于ABAQUS的非线性有限元结果

5.4.1 框架梁柱应力结果

5.4.2 防屈曲支撑应力结果

5.4.3 预埋件应力结果

5.4.4 钢筋层应力结果

5.5 与试验结果的分析比较

5.5.1 BRB-CF1骨架线的有限元分析与试验结果比较

5.5.2 BRB-CF2骨架线的有限元分析与试验结果比较

5.5.3 BRB-CF3骨架线的有限元分析与试验结果比较

5.6 本章小结

第6章 反复低周加载下防屈曲支撑混凝土框架抗震性能非线性分析

6.1 模型的建立和反复加载的加载制度

6.2 基于ABAQUS的非线性有限元分析结果

6.2.1 框架梁柱应力结果

6.2.2 框架节点变形结果

6.2.3 预埋件应力结果

6.2.4 钢筋层应力结果

6.2.5 框架侧移为20mm防屈曲支撑应力结果

6.3 与试验结果的分析比较

6.4 本章小结

第7章 加套筒后单向荷载下防屈曲支撑混凝土框架抗震性能非线性分析

7.1 对加套筒后的建模思路简单介绍

7.2 基于ABAQUS的非线性有限元结果

7.2.1 框架变形结果

7.2.2 防屈曲支撑应力结果

7.2.3 套管被破坏情况的解释

7.2.4 与试验结果的对比

7.3 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研成果

致 谢