火灾下钢筋混凝土框架结构倒塌数值模拟

基于ABAQUS对钢筋混凝土框架结构在火灾下的倒塌数值模拟进行了研究。采用纤维梁单元模拟框架梁和柱,编制了可用于应力-温度耦合场、可考虑材料失效的混凝土和钢筋材料单轴本构用户子程序,通过材料失效模拟单元的破坏;采用壳单元模拟钢筋混凝土楼板,考虑了钢筋混凝土楼板的刚度削弱、钢筋拉断;采用单元接触考虑了倒塌过程中单元之间的碰撞。以某钢筋混凝土框架结构为例,对其在火灾下的倒塌机理进行了分析。     

纤维梁单元模型中钢筋模拟方法对比研究

对ABAQUS纤维梁单元模型中钢筋的模拟方法进行对比,并对钢筋混凝土框架结构隐式和显式弹塑性时程分析结果进行比较。钢筋混凝土纤维梁单元中钢筋可以采用钢筋纤维法和组合单元法两种方法进行模拟,对这两种钢筋模拟方法进行了详细对比分析,并对隐式动力时程分析和显式动力时程分析结果进行了比较。结果表明,两种钢筋模拟方法可以得到相近的时程分析结果,编制的显式混凝土单轴动力本构是正确的。     

基于ABAQUS纤维梁单元的钢筋混凝土柱受力破坏全过程数值模拟

合理、准确地模拟钢筋混凝土梁柱构件的非线性及断裂破坏行为,对于进行钢筋混凝土框架结构在强震作用下的倒塌破坏机制研究具有重要的意义。基于有限元软件ABAQUS的显式求解模块Explicit,研究了钢筋混凝土梁柱构件纤维梁单元的构型及其单元消除技术,构建了包含材料破坏准则的钢筋、混凝土单轴本构关系,并利用用户材料接口VUMAT编制了相应的计算子程序。为验证上述方法的合理性和正确性,本文对轴压与侧向往复加载下钢筋混凝土柱构件的受力破坏全过程进行了数值模拟。计算结果表明:采用单元消除(杀死)可以简单、有效地实现有限单元法对于梁柱构件断裂破坏过程的模拟;基于纤维梁单元构建的材料单轴本构关系和破坏准则能够准确、细致地描述钢筋混凝土柱在荷载作用下的非线性性能发展、构件截面的渐进破坏过程以及残余构件的运动状态;对于非线性性态发展较为强烈的结构构件,考虑材料失效的模拟分析结果更为合理、可信。该方法可用于钢筋混凝土框架结构在强震下倒塌全过程的模拟分析。     

基于纤维模型的三维框架结构倒塌分析

基于ABAQUS程序采用FORTRAN语言进行二次开发,增加基于混凝土规范本构曲线并考虑箍筋约束的混凝土模型、钢筋材料模型,植入材料纤维失效准则,扩展ABAQUS程序实现框架结构倒塌模拟的功能。以某4层3×3跨框架为例,研究单榀框架的竖向和水平两种破坏模式,讨论楼板作用对框架结构破坏模式的影响。结果表明,有无楼板作用的框架结构破坏模式差异明显,建议模拟框架倒塌时应考虑楼板作用。     

长周期地震波作用下超高层结构连续倒塌数值模拟

基于ABAQUS软件对某超高层结构在长周期地震波作用下的连续倒塌数值模拟方法进行研究。采用纤维梁单元模拟框架梁和框架柱,采用壳单元模拟钢筋混凝土剪力墙和楼板。基于子程序实现梁单元材料积分点材料的失效用于模拟单元生死,基于混凝土弹塑性损伤本构近似模拟钢筋混凝土剪力墙与楼板的刚度削弱及失效,并采用单元接触考虑倒塌过程中单元之间的碰撞和结构碎片堆积情况。以某实际超高层结构为例,分析了结构的动力特性,并对该超高层结构在长周期地震波作用下的破坏模式和倒塌过程进行了模拟,可为超高层结构地震破坏机理和抗震设计研究提供参考。     

地震中钢筋混凝土框架结构倒塌反应的试验研究与数值仿真

制作一个1/4钢筋混凝土框架模型结构,进行模拟地震作用下结构倒塌的振动台试验。试验结果表明,由于现浇楼板的加强作用结构呈弱柱型的倒塌模式,倒塌过程中构件间的碰撞作用非常明显。基于离散单元方法,将结构离散为板单元和柱单元组成的板-柱体系或由梁单元、节点单元和柱单元组成的梁-柱-节点体系。在单元连接界面处构建由混凝土弹簧和钢筋弹簧组成的能反映构件空间受力性能的三维拉压弹簧组,引入任意加载路径下混凝土弹簧和钢筋弹簧单轴本构关系。采用动态松弛法求解结构的反应。借助于C++语言、MFC类库和OpenGL三维图形库,开发出钢筋混凝土框架结构空间倒塌反应数值仿真系统。用素混凝土柱的变形分析及结构模型试验结果验证数值仿真系统的适用性和准确性。     

钢筋混凝土材料本构模型在ABAQUS纤维梁单元二次开发中的应用

本文利用有限元软件ABAQUS所提供的用户自定义材料接口UMAT,采用FORTRAN语言开发了适用于ABAQUS纤维梁单元的材料单轴本构模型,其中包括Scott-Kent-Park混凝土单轴滞回本构模型和Menegotto-Pinto钢筋单轴滞回本构模型。同时对国内外已有学者完成的钢筋混凝土柱和框架的试验进行力学性能数值模拟,并与试验结果进行对比,验证了本文所开发材料子程序的合理性和有效性,从而为钢筋混凝土结构的弹塑性分析提供较精确合理的材料本构模型。     

基于MSC.MARC的纤维梁子程序开发与验证

本文基于MSC.MARC平台开发了纤维梁单元子程序,并对其进行了详细测试。采用MSC.MARC模拟钢筋混凝土梁非线性行为时,需要开发相应的纤维梁单元子程序。基于UBEAM子程序接口,开发了可以考虑剪切变形的两节点单积分点线性Timoshenco梁单元和不考虑剪切变形的两节点三积分点Euler-Bernoulli梁单元子程序,以上两种子程序均包含两种混凝土和两种钢筋单轴本构材料模型。以中国建筑学会抗震防灾分会建筑结构抗倒塌专业委员会开展的钢筋混凝土框架柱拟静力往复试验为例,将数值分析结果与实验结果进行了对比,对编制的子程序进行了详细测试和分析,结果表明:数值模拟可以得到与试验较为一致的结果,编制的子程序是正确的,可进一步用于结构动力弹塑性时程分析和倒塌分析。     

混凝土梁柱构件基于截面纤维模型的弹塑性分析

采用了弹塑性纤维单元模拟钢筋混凝土梁、柱杆件,通过材料应力-应变本构关系对截面动态积分,直接得到构件刚度及恢复力特性,提出了适用于该模型的计算方法和相应的钢筋和混凝土材料单轴应力-应变本构关系。并应用通用有限元软件ABAQUS对钢筋混凝土悬臂柱及钢筋混凝土框架进行了拟动力反复加载计算,并与试验结果进行对比分析。     

基于ABAQUS的混凝土单轴材料模型开发与应用

为了在有限元软件ABAQUS中实现用纤维梁单元模拟钢筋混凝土构件,通过ABAQUS自身提供的隐式模块下的用户自定义子程序接口UMAT,在软件中开发了用于纤维梁单元的混凝土单轴本构滞回模型。利用所开发模型,通过静力分析模块对钢筋混凝土梁、板单调加载试验试件和柱、剪力墙低周反复加载试验试件进行非线性数值模拟分析;同时通过动力隐式分析模块对一组钢筋混凝土框架振动台试验试件进行了弹塑性时程分析,并与试验结果进行比较。结果表明,本文基于ABAQUS软件二次开发的混凝土单轴滞回模型具有较高的精度和较为广泛的适用性,能够较准确地模拟钢筋混凝土构件在弯矩及弯矩和轴力共同作用下的非线性行为,可以作为下一步研究的基础。     

钢筋混凝土柱动力滞回性能两尺度数值模拟

为提高钢筋混凝土柱在快速循环加载下的动力滞回性能数值模拟计算效率并反映局部破坏特征,对通用有限元分析程序ABAQUS进行二次开发,编写了适用于三维纤维梁单元的混凝土和钢筋本构模型程序,在实现纤维梁单元和实体单元界面连接变形协调的基础上,建立了由三维实体单元和纤维梁单元组成的两尺度有限元模型。为了比较计算精度和效率,分别建立了试件的三维纤维梁单元模型和三维实体单元模型。分别对3种模型进行往复荷载作用下考虑混凝土材料应变率效应的钢筋混凝土柱动力滞回性能数值模拟,将两尺度模型的计算结果与试验结果进行比较。结果表明:所开发的材料本构模型程序以及两尺度模型能较好地反映钢筋混凝土柱在快速循环加载下的承载能力及滞回性能;所建立的两尺度模型既可节约计算成本,又能实现钢筋混凝土柱试件关键部位的精细化分析。     

考虑板筋参与梁端承载力贡献的设计方法及抗震性能研究

通过考虑一定有效翼缘宽度范围的楼板内钢筋对梁端负弯矩承载力贡献并进行梁端配筋设计,研究楼板与梁的共同工作性能.应用对梁、柱采用考虑钢筋和混凝土的纤维梁模型,楼板采用考虑钢筋和混凝土的复合材料分层壳单元模型,建立可考虑楼板对梁刚度及承载力贡献的整体弹塑性有限元分析模型,对影响RC框架结构的屈服机制的主要因素进行了研究.不...     

反复荷载作用下钢筋混凝土柱的非线性分析

分别应用有限元分析软件ABAQUS和OpenSEES对Kawashima Earthquake Engineering Laboratory数据库中的一根钢筋混凝土柱在反复荷载作用下力-位移的滞回曲线进行了数值模拟研究。ABAQUS分析时采用分离式建模,混凝土采用实体单元,钢筋采用桁架单元,混凝土的本构关系采用混凝土损伤塑性模型,其中损伤因子采用基于能量损伤原理进行计算,钢筋本构关系采用一种再加载刚度按Clough本构退化的随动硬化单轴本构模型,并用Embed技术进行自由度的耦合;OpenSEES分析时采用dispBeamColumn梁柱单元,混凝土采用Concrete01本构模型,采用Mander模型考虑箍筋的约束作用对混凝土本构参数进行修正,钢筋采用Steel02本构模型。通过两种软件对钢筋混凝土柱在反复荷载作用下的受力分析以及与试验结果的对比,OpenSEES的模拟结果能更全面反映柱的滞回曲线的整体特性,因此对于压弯受力特征的钢筋混凝土柱建议采用OpenSEES进行反复荷载作用下的非线性分析。     

钢-混凝土组合空间框架拟动力有限元分析

基于混凝土的塑性-损伤本构模型与钢材的弹塑性混合强化本构模型,采用ABAQUS有限元分析软件,对圆钢管混凝土柱-钢筋混凝土框架梁2层空间框架的三维实体精细有限元模型进行拟动力分析。模型中考虑了钢管与核心混凝土的约束作用以及连续地震作用下引起的塑性耗能累积效应。对钢管混凝土柱轴压比、钢管横向变形系数以及各关键点的钢管与核心混凝土、框架梁、环梁与楼板中的钢筋和混凝土的应力-应变滞回曲线以及框架结构的塑性耗能分布情况进行分析。结果表明：连续工况地震作用使框架结构产生塑性耗能累积效应,进而使楼层的位移响应明显增大,层间刚度减小;连续工况地震作用后,钢管和所有钢筋都屈服,钢管、环梁钢筋的约束作用使核心混凝土、环梁混凝土强度超过其轴心抗压强度,楼板混凝土因受拉而开裂;短边柱的轴压比有明显波动,罕遇地震作用下其值大于角柱、中柱和长边柱的轴压比;钢管混凝土柱为主要的塑性耗能构件,环梁次之。     

ABAQUS在结构连续倒塌数值模拟中的应用

以某超限高层结构为例,基于ABAQUS/Explicit方法对结构在地震作用下连续倒塌的数值模拟方法进行了研究,开发了适用于模拟倒塌分析中纤维梁单元的混凝土和钢筋/钢材材料子程序。基于混凝土损伤模型实现模拟墙板壳单元的刚度退化,通过截面点"生死"模拟纤维梁单元失效,并同时考虑倒塌过程中单元的碰撞接触。通过不同幅值的强震记录对结构进行了连续倒塌模拟,从纤维梁单元应力-应变时程曲线、结构整体响应和倒塌过程等方面对结构倒塌性能进行了分析和评估,验证了模拟方法的合理性,为结构进一步的性能设计提供了依据,并为相关研究提供参考和思路。     

受腐蚀钢筋混凝土桥墩抗震性能研究

桥墩的耐久性和抗震性能对整个桥梁安全运行具有重要意义。本文以钢筋混凝土拟静力试验为背景,通过数值模拟方法建立纤维单元模型,研究钢筋混凝土墩柱的抗震性能随腐蚀率的变化规律。首先采用2种不同混凝土本构和3种钢筋本构模型对未腐蚀试件进行模拟,通过和试验对比,评价有限元模型合理性并选取合适的本构模型。腐蚀效应通过修正钢筋本构模型考虑,对试验3根试件进行模拟,验证腐蚀本构模型合理性。最后将腐蚀率进行扩展,研究不同腐蚀率下钢筋混凝土桥墩抗震性能变化规律。     

基于纤维梁模型的火灾下多层混凝土框架非线性分析

为分析和模拟多层混凝土框架结构在火灾下的反应规律及其破坏过程,基于建筑结构分析中常用的纤维梁单元,建立了钢筋混凝土梁、柱构件的火灾破坏数值模型。模型将构件截面划分成多个纤维,可以考虑构件截面的不均匀温度场分布以及材料非线性和几何非线性问题。对单层单跨混凝土框架进行火灾反应分析,并与试验结果进行比较,验证了此数值模型的准确性。通过对多层框架进行火灾反应模拟,比较不同火灾场景的模拟结果,分析其反应规律以及破坏过程。结果表明,纤维梁单元模型可以较好地模拟钢筋混凝土结构的受火破坏过程,并且火灾发生的位置不同,结构的破坏机制也不同,一定条件下蔓延的火灾比不蔓延的火灾对多层混凝土框架结构的破坏性更大。分析结果可以为实际结构的防火设计提供参考。     

钢管混凝土组合框架抗连续倒塌特征响应及参数分析

采用非线性纤维梁模型建立了关键构件失效后钢管混凝土组合框架抗连续倒塌有限元模型。基于ABAQUS软件提供的二次开发平台UMAT,开发了考虑包辛格效应的钢材和约束效应的核心混凝土材料单轴本构模型,并利用已有文献中的试验结果对上述本构模型进行了验证。在此基础上,进行了不同参数(失效柱位置、跨度、层数、层高及失效时间)下抗连续倒塌特征响应分析,研究不同参数下该类结构的位移变化和倒塌规律。研究结果表明,失效柱位置、跨度以及失效时长对竖向位移时程曲线影响较大;中柱(底层、中间层和顶层)失效后,竖向位移时程曲线为比较规则的振荡衰减曲线,在阻尼作用下按照两条渐近线的趋势逐渐趋于平缓,而角柱失效后计算所得竖向位移时程曲线相对中柱不规则。为了更好地提高钢管混凝土结构的抗倒塌能力,给出了概念性的倒塌设防建议,供工程实际参考。     

基于OpenSees的RC柱拟静力数值分析模型

本文以Open Sees为分析平台,对等位移加载的拟静力试验钢筋混凝土柱进行数值分析。考虑钢筋与混凝土材料本构的选取与搭配、纤维划分、单元划分、积分点数的不同对数值模拟带来的影响,建立合理有效的数值分析模型。分析结果表明:在Open Sees中,选用不同钢筋与混凝土本构模型进行模拟时,计算结果差别较大,且采用不同钢筋与混凝土材料本构进行搭配建模时,对数值模拟的结果也有较大影响;对于钢筋本构,Steel02、Reinforcing Steel模拟效果比Steel01好,且二者分别适应不同的混凝土本构;对于混凝土本构,Concrete01模拟效果最好;纤维截面划分形式对模拟结果有较大影响,平行于作用力方向划分m=1,垂直于作用力方向划分n=10即可满足精度要求;单元数量对模拟结果有一定影响,划分5个已能达较好精度;单元积分点数对模拟结果影响不大,单元取4个积分点时,模型的计算精度已经很高。     

RC框架结构梁板柱空间协同抗连续性倒塌非线性有限元分析

采用三维实体退化虚拟层合单元非线性有限元分析法,考虑梁板柱空间协同效应,经对一单层2×2跨RC空间板柱结构中柱失效倒塌试验模拟分析并与试验结果对比之后,分别对三种不同抗震设防RC空间框架结构模型进行连续性倒塌非线性仿真分析,得出随抗震设防烈度提高,框架结构抗连续性倒塌的空间刚度增大,倒塌模式从"缓变型"向"陡变型"转变;抗震设防烈度越高,结构竖向抗连续性倒塌能力越强;楼板膜效应延缓了梁悬链线阶段的出现,而框架梁对楼板膜应力机制和悬链面机制起到加强作用,楼板与框架梁协同工作在悬链线(面)阶段整体提高竖向抗连续性倒塌能力等研究结论。