型钢混凝土框架结构宏观有限元的方法研究

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型钢混凝土(SRC)组合结构以其刚度大、承载能力高、抗震性能优越等优点,成为高烈度设防地区高层、大跨、重载及高耸结构的首选结构形式。鉴于试验采集到的试验数据普遍存在较大离散性且在数量上不具备统计意义,现阶段采用理论分析和数值方法相结合对相关科学问题进行探究不失为一种可行的研究手段。考虑到基于微观单元的数值模拟建模过程较为复杂,加之计算成本较高且对计算机硬件有着高标准需求,难以对大型复杂结构非线性力学行为进行有限元数值分析。借助宏观单元的有限元数值模拟在确保计算精度的前提下可实现对计算成本的有效控制,得到了广大科研工作者的青睐。为满足SRC框架结构宏观力学行为研究的需要,论文基于纤维单元模型理论并结合课题组前期关于型钢-混凝土间粘结滑移性能试验研究成果,在纤维层面上通过修正钢纤维的应变以实现对材料间粘结滑移的数值体现,使其更为精确地反映构件强非线性力学行为,同时提出了模拟SRC节点剪切变形的剪切块模型,并结合现阶段最新2D单元理论,从而构建了SRC节点单元,最终基于OpenSEES软件平台建立了SRC框架宏观有限元计算模型,取得了理想的验证效果。主要研究内容及研究结论有:1.分别采用宏观单元和微观单元对SRC柱抗震性能进行数值模拟分析,并结合试验实测数据,探讨了宏观单元和微观单元有限元数值模拟在单元原理、材料本构、网格划分、加载控制及模拟结果等方面的优缺点,提出了基于宏观单元的SRC梁-柱构件精细化建模方法,为深入进行SRC梁-柱宏观有限元理论研究奠定了基础。2.本课题组前期的研究成果表明,SRC构件在粘结滑移发生后,构件的承载力有较大改变。本文基于纤维单元模型理论,根据课题组前期提出的型钢-混凝土粘结滑移本构模型及粘结滑移沿截面高度的变化规律,提出在纤维层面上通过修正钢纤维应变的方法以实现对材料间粘结滑移的数值体现,该方法的意义在于精确的反映SRC构件非线性力学行为。3.为洞悉SRC节点内部应力的传递模式与分布情况,通过辅以微观有限元模拟以弥补试验研究无法观察节点内部应力分布形态的不足,对SRC平面框架涉及的中节点、边节点、角节点及屋面中节点进行剪切变形分析,结果表明节点内部应力主要分布在节点核心区型钢腹板、型钢翼缘内部混凝土斜压短柱及核心区外箍筋约束的混凝土斜压短柱区域,为建立剪力传递公式提供了分析依据。4.提出用于模拟SRC节点剪切变形的剪切块模型,并结合现阶段最新2D节点单元理论以构建SRC节点单元。根据SRC节点构造特点及内部应力传递模式与分布情况,认为SRC框架梁-柱节点剪力应由节点核心区型钢腹板、内部斜压杆及外部斜压杆三个部分承担,结合主要建筑材料的非线性本构模型,提出了SRC节点剪力传递公式,同时辅以试验得到的斜压杆宽度调整系数,最终建立了用于模拟SRC节点剪切变形的剪切块模型,随即利用C++计算机语言将剪切块模型编译为计算程序,以供2D节点单元程序调用,实现了SRC节点单元的数值体现。5.将纤维单元精细化模拟SRC梁-柱构件的方法与SRC梁-柱节点单元相结合,基于OpenSEES软件平台建立SRC框架宏观有限元计算模型。试验结果与模拟结果对比表明,本方法建立的SRC框架模型较好的模拟了SRC框架循环荷载作用下的力学响应。
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