钢筋混凝土等效桁架模型有限元分析

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对钢筋混凝土此类复杂的连续介质进行受力、变形等结构反应分析时,要借助于有限单元法。有限单元法既基于严格的理论基础,又能对具体的复杂问题进行合理的离散,故其对分析实际问题有很强的有效性、实用性。传统有限单元法在钢筋混凝土结构分析中得到了广泛的应用,其自身有其他分析方法无可比拟的优点,但是也有其不可克服的缺点:为了适合结构复杂的边界条件和分析结构的连续性,需要构造复杂的形函数;对二维、三维混凝土受力情况难以选择合理的本构关系;钢筋混凝土结构的裂缝模拟处理一直是常规有限元难以有效解决的问题。为了解决此类问题,国内提出了一种新的有限元模型一等效桁架模型。借助于节点位移等效和能量等效,把钢筋混凝土微元体等效为等效桁架单元,可以确定等效桁架模型中各拉压杆件的轴向拉压刚度。等效桁架单元模型结构形式简单、受力明确,既借鉴了传统有限单元法的优点,又有其自身的特点:根据分析问题划分单元,即可确定模型中各杆件刚度,无需设定形函数;模型中各杆件都处于轴向一维受力情况,混凝土的本构可选择比较成熟的一维本构;采用随机裂缝模型,等效桁架模型各杆件达到其受拉或受压强度即开裂。本文在前人所作工作的基础上,主要做了以下几个方面的探讨:首先,借助于等效原则和基本的力学原理,把平面应力状态下混凝土微元体等效成平面等效桁架模型,详细推导了平面等效桁架模型各杆件刚度,简要阐述了用平面等效桁架模型分析实际问题的一般步骤;其次,基于平面等效桁架模型分析实际问题的特点和其自身特性,用适合矩阵运算的科学语言MATLAB编制程序,并对一混凝土简支梁和悬臂梁进行受力分析,验证了平面等效桁架模型的可行性;再次,结合钢筋混凝土平面等效桁架模型的特点,选择了合理的钢筋和混凝土单元的本构关系;最后,把钢筋混凝土平面桁架模型运用到实际中,分析了钢筋混凝土平面等效桁架整体式模型、分离式模型、组合式模型各自的理论和适用情况,对等效桁架模型单元破坏和屈服后的情况作了处理,对等效桁架模型非线性方程组在正定、非正定情况下的解法做了阐述,尝试把等效桁架模型运用到钢筋混凝土裂缝模拟中,用本文提出的平面等效桁架模型对一钢筋混凝土简支梁和短肢剪力墙结构进行了分析。
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