面向体系非线性分析的钢管混凝土柱-组合梁节点多尺度高效数值模型

基于组合结构非线性分析软件COMPONA-MARC V1.2,提出面向体系非线性分析的钢管混凝土柱-组合梁节点多尺度高效数值模型,该模型能准确反映梁端、柱端以及节点域的耗能特征。首先建立模型的总体框架,采用较为简洁的多尺度连接方案,并从节点传力机理的角度证明其合理性。其次,在单向地震作用下楼板空间组合效应模型的基础上,通过对极限正弯矩有效宽度进行折减,提出双向地震作用下考虑楼板空间组合效应的组合梁纤维模型。随后,选取基于裂缝带模型的组合节点域混凝土单轴受拉软化模量计算公式,重点讨论平均裂缝间距这一关键参数的取值方法,给出与开裂应变相关的剪力传递系数计算方法的建议。最后采用本模型对一系列平面和空间组合节点的抗震性能试验进行模拟,充分证明本模型的准确性与合理性。     

双向组合楼板的模拟与分析

利用COSMOS/M2.6软件,考虑材料非线性,模拟并分析双向组合楼板的极限承载性能。通过与文献中双向组合楼板足尺试验的对比,验证所建有限元模型的正确性。研究楼板宽高比、长细比等参数的影响;考虑表面平整及剪力钉的影响;研究固定于板底翼板,垂直于波纹方向冷弯钢板厚度及其分布的影响;研究各初始参数对极限承载力,强、弱轴方向应力分布及板挠度的影响。在正常使用极限状态下,进行双向组合楼板的性能研究。与单向组合楼板比较,双向组合楼板承载力及弱轴方向的应力有较大提高。由于使用钢板和剪力钉,组合楼板挠度增大。     

钢框架梁柱组合节点滞回性能有限元分析

钢框架组合节点考虑楼板组合效应后,其承载能力大幅提高,节点区刚度相应增大,可能对抗震造成不利影响。采用通用有限元软件ABAQUS建立非线性精细有限元模型,并对单元选取,螺栓受力行为和材料的应力应变关系及损伤模型的确定进行详细说明。结合国内外已有的钢框架组合梁节点拟静力试验,验证了非线性有限元模型的正确性和适用性。试验和有限元分析结果均表明:考虑楼板的组合效应之后,该类型节点的刚度和承载力均有较大幅度提高,承载力提高幅度约为26%,节点区弹性刚度提高了30%左右;在静力往复荷载作用下,该类型节点的滞回曲线较为饱满,耗能能力强,具有良好的抗震性能。     

考虑楼板空间组合作用的组合框架体系设计方法(Ⅱ)——刚度及验证

在前文研究的基础上,研究楼板空间组合作用对组合框架结构抗侧刚度及内力分布的影响。采用梁-壳混合模型对影响组合框架梁等效刚度的关键因素进行分析,并在此基础上通过大量数值计算和参数分析,提出组合框架梁刚度放大系数简化计算公式。随后采用不同参数的规则和非规则组合框架体系模型充分验证该文建议公式的合理性。结果表明,采用建议的考虑楼板空间组合作用的组合梁框架全杆系模型能较准确地预测结构的自振周期、地震层剪力、侧移、层间位移、组合梁内力等,而忽略楼板空间组合作用会高估结构自振周期、低估结构地震剪力、高估结构侧移和层间位移、低估组合梁内力等。最后选取5个国内外已报道的钢-混凝土组合框架结构抗震性能试验结果对前文和该文提出的设计方法进行验证,结果表明本研究建议的相关设计公式可在组合框架结构体系的设计中合理地考虑楼板空间组合作用对结构抗侧性能的影响。     

考虑组合效应的组合框架稳定计算方法

结合组合框架实际结构特点,分析组合效应对组合框架稳定极限承载力的影响,探讨了组合效应、节点半刚性连接对框架计算长度系数的影响,提出了考虑组合效应的组合框架改进计算长度法。     

钢管混凝土组合框架结构体系抗震性能的增量动力分析法

基于有限元软件ABAQUS用户材料模型子程序二次开发技术,建立了钢管混凝土组合框架体系的数值模拟模型,该模型得到了以往研究者完成的钢管混凝土构件及组合框架结构低周往复荷载试验结果的验证。分别基于非线性纤维梁单元及分层壳单元模拟梁柱构件及楼板,用增量动力分析(IDA)方法对某9层钢管混凝土空间框架结构的抗震性能进行了研究,对某一地震动下结构由弹性阶段到屈服再到塑性阶段过程中的性能点、层间位移角、结构顶层谱加速度时程响应、框架塑性铰出铰顺序及基底剪力时程曲线进行了判定,为进一步评估钢管混凝土空间框架结构的抗震性能提供参考。     

考虑组合效应对钢结构厂房刚度性能影响分析

为研究楼板与钢梁的组合效应对钢结构厂房刚度性能的影响，通过YJK软件参考实际项目图纸进行参数化建模，建立不考虑楼板组合效应的模型和按规范考虑楼板组合效应的模型。分析了考虑楼板组合效应对钢结构厂房模态和地震动力响应的影响，并在刚性楼板和组合梁的模型中研究不同板厚对组合效应发挥的影响。研究表明，我国规范考虑楼板作用的刚度放大系数偏小，不适用于钢结构工业厂房结构；楼板的组合效应可提高结构刚度，减少结构层间位移，提高结构抗震能力；随着板厚增大，组合效应发挥的作用相对减小，在板厚较小的时候考虑组合效应有更好的经济效益。     

压型钢板稻草板组合楼板力学性能

在稻草板基础上提出了一种新型组合楼板形式,将稻草板和压型钢板通过自攻螺钉连接形成组合楼板,并对组合楼板进行了抗弯性能研究.试验测试了各级荷载作用下压型钢板及稻草板中的应变和组合楼板挠度,观察了组合楼板的破坏过程及破坏形态,探讨了组合楼板破坏机理及组合效应,获得了组合楼板的极限抗弯承载力.结果表明:试验所采用的组合方式比较合理,组合效应良好,楼板有较大的承载力,可以作为房屋楼板使用.在试验研究和理论分析基础上,提出了组合楼板极限承载力公式与变形计算公式,试验结果和理论计算结果吻合良好,验证了计算公式的可行性.     

基于有限单元柔度法的钢筋混凝土空间框架非弹性地震反应分析

本文基于有限单元柔度法纤维模型梁柱单元理论,编制了钢筋混凝土空间杆系结构非弹性动力分析程序。通过对一个退台六层钢筋混凝土空间框架振动台试验结果与数值模拟分析结果的对比,对基于非线性有限单元理论和纤维模型的空间杆系分析模型进行钢筋混凝土空间框架非弹性地震反应分析的有效性进行了验证和评价。对地震振动台试验的模拟分析表明,纤维模型梁柱单元对中等以下损伤的结构地震反应具有很好的模拟能力,对于结构处于严重损伤的阶段,模拟所得的结构位移和损伤程度将会小于结构的实际位移和损伤程度,这可能是由于目前纤维模型梁柱单元尚不能考虑钢筋的粘结滑移以及将现浇楼板简单处理为刚性并未考虑楼板刚度实际会出现明显降低的现象所致。     

火灾下组合楼板／梁系统的薄膜效应

针对用支撑组合楼板的钢梁，该文提出一种基于性能化设计的方法，这种方法可以允许设计者只对部分的钢梁进行防火保护。这种方法是以前楼板和钢梁组合薄膜效应的发展，而以前只考虑了组合楼板的薄膜效应。而且，该文所提出的方法考虑了因各种变形模式所引起的楼板薄膜效应的差别，即在火灾中通过改变所假定的屈服线模式来考虑组合楼板和梁的受力状态。     

Modeling and investigation of elasto-plastic behavior of steel–concrete composite frame systems

This paper presents a mixed finite-element model combining the fibered beam and layered shell elements using the general finite-element program MSC.MARC (2005r2) based on the discussion and comparison of the previous models. The proposed modeling procedure is intended for integrated elasto-plastic analysis of fully connected steel–concrete composite frames subjected to the combined action of gravity and monotonic lateral loads. The model is verified by extensive experiments and examples, and the behavior of composite frames is also investigated intensively. The slab space composite effect and the beam–column semi-rigidity are the two critical factors influencing the structural behavior. These two factors have not been considered simultaneously in some previous models but can be both included in the proposed model. Due to the complex slab space composite effect in composite frames, the previous models with a constant-width effective flange of slab can not trace the actual nonlinear slab behavior, but the proposed model can give accurate results. Since the slip effect between the steel beam and RC slab has negligible influence on the global calculation results of the structural system verified by the calculation examples, the slip effect is neglected in the present study to simplify the modeling procedure and enhance the calculating efficiency. The proposed model possesses good accuracy and broad applicability with simple modeling procedure and high calculation efficiency, and has a great advantage for the large-scale integrated analysis of multistory and high-rise composite frames.     

Modeling and investigation of elasto-plastic behavior of steel–concrete composite frame systems

This paper presents a mixed finite-element model combining the fibered beam and layered shell elements using the general finite-element program MSC.MARC (2005r2) based on the discussion and comparison of the previous models. The proposed modeling procedure is intended for integrated elasto-plastic analysis of fully connected steel–concrete composite frames subjected to the combined action of gravity and monotonic lateral loads. The model is verified by extensive experiments and examples, and the behavior of composite frames is also investigated intensively. The slab space composite effect and the beam–column semi-rigidity are the two critical factors influencing the structural behavior. These two factors have not been considered simultaneously in some previous models but can be both included in the proposed model. Due to the complex slab space composite effect in composite frames, the previous models with a constant-width effective flange of slab can not trace the actual nonlinear slab behavior, but the proposed model can give accurate results. Since the slip effect between the steel beam and RC slab has negligible influence on the global calculation results of the structural system verified by the calculation examples, the slip effect is neglected in the present study to simplify the modeling procedure and enhance the calculating efficiency. The proposed model possesses good accuracy and broad applicability with simple modeling procedure and high calculation efficiency, and has a great advantage for the large-scale integrated analysis of multistory and high-rise composite frames.     

Theory of seismic response analysis of steel-concrete composite structures using fiber beam elements

通过大型通用有限元程序MSC.MARC(2005r2)二次开发将纤维截面模型和基于位移的无滑移分布塑性铰梁单元相结合,得到了一种用于钢-混凝土组合结构地震反应分析的纤维梁单元。该单元在兼顾模型的准确性、通用性以及高效性的同时,具有较优的求解效率、数值稳定性以及前后处理速度。根据工程中常用组合截面的特点提出了组合截面的定义方式及其纤维离散过程,并给出了截面本构关系的求解流程。分析了混凝土、钢材以及钢筋三种材料的单轴本构关系,混凝土材料模型能反映普通、高强以及约束混凝土的不同力学特性,并在已有的考虑单次加卸载强度退化模型的基础上发展了能够考虑多次加卸载强度退化行为的混凝土滞回准则,从而使模型更符合地震作用下组合构件中混凝土材料的实际复杂非线性行为,钢材和钢筋模型能较合理地考虑往复荷载作用下的包兴格效应。     

钢－混凝土组合结构体系研究新进展

以钢-混凝土组合框架结构和框架-核心筒混合结构为对象,综述了在钢-混凝土组合结构体系方面的一些研究新进展。针对组合框架中楼盖的空间组合作用进行了试验研究,发展了三种组合结构地震反应分析模型,重点讨论了在杆系模型中考虑楼盖空间组合作用的方法,从而实现组合框架结构体系的大规模计算。通过刚度解析和数值分析,对框架-核心筒混合结构体系中框架与核心筒的刚度匹配、位移限值指标的取值进行探讨,并对不同混合结构体系的位移特性、失效模式以及安全性能进行对比,为框架-核心筒混合结构的体系优化提供参考。最后,对组合结构体系的研究进行了展望,建议进一步完善组合结构体系的计算手段及其优化指标。图13表3参17     

Life-cycle cost-oriented multiobjective optimization of composite frames considering the slab effect

The life-cycle cost-oriented design philosophy is a promising tool for building resilient cities as it helps in gaining insights into the impact of hazard-induced damage and repair of civil and infrastructure systems. In this study, a socioeconomic parameter-independent practical formulation was introduced for life-cycle cost analysis by combining the economic loss rate associated with different damage limit states and cloud analysis-based probabilistic seismic demand model. A framework for life-cycle cost analysis-based seismic design optimization was proposed using an emerging nature-inspired algorithm, namely, the multiobjective cuckoo search. By considering an eight-story prototype composite frame, the framework was used to determine the trade-off design alternatives between competing optimization objectives. Conventional and improved fiber models were developed to comparatively evaluate the influence of the slab spatial composite effect on Pareto optimal designs. The key drivers of change in three cost indicators were identified using generalized linear models. The result indicates that the overstrength factor is the critical design parameter affecting the initial construction, seismic damage, and life-cycle costs, with statistical significance at the 0.001 level.     

A simplified analytical method for unbraced composite frames with semi-rigid connections

The original Muto’s method for the lateral force analysis of conventional unbraced bare steel frames is first modified to incorporate the effects of semi-rigid beam-to-column connections. From which, equations for the calculation of the inter-storey drifts of these frames are formulated using first principles. By comparing the frame analytical results calculated from a rigorous finite element programme, it is shown that the proposed method gives reasonably accurate internal forces and inter-storey drifts estimations of a sway bare steel frame with semi-rigid connections. The proposed modified Muto’s method is then further developed for the manual analysis of unbraced composite frame systems by introducing an improved equivalent beam stiffness to account for the variation of the beam stiffness in the hogging and sagging moment regions. The accuracy of this simplified analytical method is verified by the rigorous finite element analysis of an unbraced composite frame with semi-rigid connections. Last, a parametric study is conducted to quantify the effects of semi-rigid connections on the inter-storey drifts of unbraced composite frames under lateral loads.     

多高层钢-混凝土组合框架结构体系弹塑性分析模型

以通用有限元软件MSC.MARC (2005r2)为平台,建立了纤维梁单元和分层壳单元的混合有限元模型,用于完全剪力连接多高层钢-混凝土组合框架在竖向荷载和单调水平荷载作用下的整体弹塑性分析,并得到试验和算例验证。给出了钢梁、钢柱以及混凝土楼板的有限元建模方法以及相关参数的取值建议,并就楼板和钢梁的协同工作以及半刚性梁柱节点在模型中的实现展开讨论。算例表明：节点半刚性和楼板的空间作用是影响结构性能的关键因素,而已有的相关模型并未同时解决这一问题。建议的模型忽略了钢梁与混凝土楼板之间的滑移效应,算例表明滑移效应对结构体系的整体计算结果影响不大,但能有效简化建模,提高计算效率。图23表2参31     

近爆作用下压型钢板组合楼板动力响应及影响因素数值分析

利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,采用流固耦合的计算方法,对压型钢板组合楼板在近爆炸荷载作用下进行了不同工况的数值模拟,得出其受力形态,分析其动力响应及破坏过程,找出影响楼板动力响应的主要因素。数值分析结果表明:适当增加混凝土厚度和提高压型钢板强度,可以显著降低组合楼板的跨中最大位移,提高组合楼板的延性和抗爆性能;组合楼板中钢筋间距的变化,对组合楼板抗爆性能影响较小。     

钢-混凝土混合结构振动台试验的弹塑性损伤分析

通过LS-DYNA程序,二次开发了钢材和混凝土单轴弹塑性损伤本构模型,其中钢材损伤模型采用混合强化准则,可考虑材料的Bauschinger效应;混凝土损伤模型定义了拉、压两个损伤指数,能较为准确地模拟混凝土单边效应、箍筋约束效应等。结合程序中基于显示算法的纤维单元,建立了结构整体数值分析模型,并通过一个缩尺比例为1∶4的3层钢-混凝土混合结构模型振动台试验,验证了数值分析模型的分析精度,数值模拟得到了模型结构的损伤发展过程。此外提出一种通过实测应变反演应变测试部位材料的应力和损伤发展的方法,研究表明,应变反演能充分利用应变测试数据,获得材料应力和损伤发展过程,并对结构的性能退化进行评估。     

预应力钢-混凝土连续组合梁的变形分析

对预应力钢-混凝土连续组合梁在正常使用极限状态下的变形计算进行分析。分析考虑钢与混凝土之间的滑移效应,建立简化计算模型,并在此基础上,提出混凝土支座开裂区长度以及预应力筋内力增量的计算公式,给出两跨预应力连续组合梁跨中挠度的计算图表。分析结果表明,两跨预应力连续组合梁变形计算公式计算正常使用极限状态预应力筋的内力值精度较高,不考虑预应力筋内力增量的变形计算值较试验值偏大,考虑预应力筋内力增量的变形计算值精度有明显提高,与试验结果吻合较好,可供工程设计参考。最后在两跨预应力连续组合梁变形计算公式的基础上提出预应力连续组合梁变形计算的通用方法。