不同焊接节点构造形式钢框架整体抗震性能分析

为系统全面地对比不同构造形式对于焊接节点钢框架抗震性能的影响,该文采用通用有限元软件ABAQUS,建立多尺度钢框架非线性有限元模型,应用国内外典型试验结果,验证了精细模型和多尺度有限元模型的准确性和等效性。通过建立9种不同节点构造形式的钢框架多尺度模型,进行罕遇地震下的弹塑性时程分析,与标准型节点框架在结构变形、基底剪力、塑性耗能、断裂倾向指数等方面进行对比分析,深入探讨不同节点构造形式对钢框架抗震性能的影响,为工程应用提供参考依据。分析结果表明:只要设计合理,局部构造差异对于结构变形的影响不大,不会引起刚度的突变进而对结构造成不利的影响;对于局部加强节点框架,没有造成基底剪力的增加(少数增加最大为6%),降低了结构的地震响应,这对于结构抵抗地震荷载起到有利作用;改变节点构造可以显著地改善节点焊接接头处的断裂倾向,减缓节点焊接处的应力集中现象,使得破坏发生在母材而不是焊缝处,进而发生延性破坏避免脆性破坏。     

基于弹塑性损伤本构模型的复合材料层合板破坏荷载预测

在连续损伤力学和塑性力学框架内,建立一个同时考虑塑性效应和损伤累积导致材料属性退化的复合材料弹塑性损伤本构模型。基于最近点投影回映算法,开发本构模型的应变驱动隐式积分算法以更新应力及与解答相关的状态变量,并推导与所开发算法相应的数值一致性切线刚度矩阵,保证有限元分析采用NewtonRaphson迭代法解答非线性问题的计算效率。采用断裂带模型对已开发的本构模型软化段进行规则化,以减轻有限元分析结果的网格相关性问题。对损伤变量进行粘滞规则化,并推导出相应的粘滞规则化数值一致性切线刚度张量,解决了在有限元隐式计算程序中采用含应变软化段本构关系的数值分析由于计算困难而提前终止的问题。开发包含数值积分算法的用户材料子程序UMAT,并嵌于有限元程序Abaqus v6.14中。通过对力学行为展现显著塑性效应的AS4/3501-6V型开口复合材料层合板的渐进失效分析,验证本文提出的材料本构模型的有效性。结果显示,预测结果与已报道的试验结果吻合良好,并且预测精度高于其他已有弹性损伤模型。表明已建立的弹塑性损伤本构模型能够准确预测力学行为,展现显著塑性效应的复合材料层合板的破坏荷载,为其构件和结构设计提供一种有效的分析方法。     

高层建筑结构在竖向地震作用下的弹塑性时程分析

本文引入了考虑空间耦合作用的杆件弹塑性本构模型，并提出了框架部分竖向位移平面假定，对高层建筑结构的竖向振动模型进行了简化，故可以用空间杆系一层模型对包括钢结构在内的剪力墙可以任意布置的复杂高层建筑进行竖向地震作用下的弹塑性动力时程分析。     

钢框架内填钢筋混凝土剪力墙混合结构破坏机理及塑性分析

对一榀1/3比例的半刚性钢框架内填钢筋混凝土剪力墙混合结构试验模型实旅了循环加载试验,在此基础上对结构的破坏机理进行了分析;提出了基于塑性理论的侧向极限荷载的简化计算方法,其中考虑了钢框架与剪力墙的相互作用、半刚性节点、组合栓钉及斜向压杆力的影响;利用ANSYS建立了非线性有限元模型：通过试验值、塑性理论值及有限元值的...     

基于结构损伤的在役钢框架地震易损性研究

针对钢材锈蚀会致结构过早失效、需对不同龄期结构进行抗震性能评估问题,提出基于首超变形及累积塑性转角的双参数构件损伤模型;考虑构件与层权重系数建立结构整体损伤模型,定义结构4种破坏状态。通过已有钢材锈蚀规律引入时间参数,建立钢材多龄期本构与钢框架全寿命地震易损性模型,以9层梁柱焊接钢框架为例,选20条满足场地条件的地震波,对不同龄期（0年、25年、50年、75年、100年）钢框架分别进行动力增量（IDA）分析,所得不同龄期结构整体损伤指数与地震动参数（峰值加速度）之间满足指数关系,给出5个龄期、4种性能水平下结构易损性曲线。通过二次曲线回归拟合不同性态水平下结构破坏时峰值加速度（PGA）平均值及对数标准差与龄期关系,建立结构随龄期变化的连续失效概率函数,获得结构失效概率随龄期变化规律。     

钢筋混凝土柱地震破坏分析的多尺度建模方法

结构多尺度计算技术在保证计算精度的同时,可大幅度地降低计算成本。该文提出了钢筋混凝土柱多尺度模型界面连接和引入等效塑性铰长度的精细化区域界定的方法,并在LS-DYNA程序中二次开发了混凝土多维损伤本构模型,建立了钢筋混凝土柱地震破坏分析的多尺度建模方法。通过对钢筋混凝土柱拟静力试验和单调推覆数值试验的模拟与对比分析,验证了所建立方法的适用性;通过对一钢筋混凝土柱的地震模拟振动台试验的模拟与分析,直观地观察了强震作用下钢筋混凝土柱的混凝土压碎、钢筋屈曲等破坏过程。     

不同设防水平钢框架结构抗地震倒塌性能研究

钢框架结构虽具有抗震性能优异的显著优点,但在强震作用下仍会不可避免的发生倒塌破坏,带来巨大的经济损失和人员伤亡。为保证钢框架结构的地震安全性,该文介绍了基于集中塑性铰模型的钢框架结构数值建模方法,进而基于增量动力分析(IDA)方法,开展了5个不同设防水平五层三跨钢框架结构的抗倒塌性能分析。结果表明:集中塑性铰模型可准确模拟钢框架结构的地震灾变过程,并能显著提升计算效率;相同平立面布局下,随着抗震设防水平提高,钢框架结构的倒塌变形能力限值不断增大,以相同层间位移限值评估相同平立面布局不同设防水平钢框架结构的抗倒塌能力并不合理;按我国现行规范设计的不同设防水平钢框架结构的抗倒塌能力满足"大震不倒"的抗震设防要求,但其抗倒塌储备系数随设防水平提高不断降低。     

循环荷载下钢材本构模型的应用研究

为进一步验证循环荷载下钢材本构模型的适用性及广泛性,分别从材料及构件层次选取了国内外典型的循环试验结果对模型进行充分验证,包括钢材循环低周疲劳试验、钢构件循环加载试验、钢节点以及组合节点循环加载试验。并通过对比分析循环荷载下钢材本构模型与常用的两折线模型在构件及体系层次应用效果,充分说明了循环特性显著影响抗震性能,在今后的设计计算中需要引起重视。在此基础上,将钢材循环本构模型应用于一个十层钢框架结构抗震性能分析之中,验证了其用于钢结构体系在地震作用下弹塑性时程分析时的可行性,为钢结构的抗震分析提供了有力的工具。     

基于人工神经网络智能算法的9310钢本构模型优化

目的 研究9310钢在变形温度为800～1 200℃、应变速率为0.01～50 s^-1和高度压下量为70%条件下的热变形行为,建立预测效果相对较好的9310钢本构模型。方法 使用Gleeble-3800热模拟机对9310钢进行等温恒应变速率热压缩实验,基于热压缩实验数据,分析了应变速率对9310钢流动软化效应的影响,建立了考虑应变补偿的Arrhenius本构模型与支持向量回归(SVR)本构模型,并进行了模型精度分析,之后引入人工神经网络(ANN)智能算法优化了Arrhenius本构模型。结果 与变形温度相比,应变速率对9310钢流动软化效应的影响更为显著。相较于支持向量回归(SVR)本构模型,考虑应变补偿的Arrhenius本构模型精度更高,其相关系数R为0.993 4,平均相对误差(AARE)和均方误差(MSE)分别为0.055 6和89.362,它在预测高应变速率(1、10、50 s^-1)流动应力时出现了较大偏差,经ANN智能算法优化后,相关系数R提高至0.999 1,AARE和MSE分别降至0.019 9和9.998,且绝对误差在±10...     

钢框架端板连接半刚性节点受力性能分析

为研究不同构造对钢框架端板连接半刚性节点受力性能的影响,采用通用有限元软件ABAQUS建立非线性有限元模型,对单元选取,螺栓受力行为、材料本构以及接触模型等方面进行详细说明;结合国内外已有的钢框架端板连接半刚性节点拟静力试验,对比分析有限元分析和试验结果,深入探讨了钢框架端板连接半刚性节点的受力性能。试验和有限元分析结...     

地震作用下钢结构损伤过程数值模拟

采用弹塑性损伤本构模型,该模型结合了非线性各向同性和随动强化准则以及基于塑性位移的损伤演化规律,利用ABAQUS对一个9层钢结构在EL-Centro地震波作用下塑性变形和损伤区域的发展过程进行了数值模拟.结果表明,上部楼层的梁端产生较明显的塑性变形并形成损伤部位.这与在Northridge地震中观测到的高层钢结构的地震...     

钢框架焊接节点损伤破坏行为分析

为了正确地评价损伤累积效应对结构的影响并准确的预测结构的破坏形态,采用一批在不同循环加载制度下、构造形式不同的钢框架焊接节点试验,深入分析节点损伤破坏的因素和分类。计算试验中所有节点的累积滞回能、最大变形、最大荷载、屈服位移和屈服荷载,从而根据这些基本参数计算每个节点10种损伤指数的发展趋势,比较损伤模型对于节点损伤退化性能描述,验证并探讨不同损伤模型反应破坏模态以及对结构破坏预测的准确性。试验以及分析结果表明：加载制度对破坏模态有较大影响,对于大幅值加载试件,更易发生逐步退化破坏,而小幅值加载的试件,易发生突然破坏;不同损伤模型具有应用的局限性并且参数组合形式对其损伤指数分布影响较大;以变形为参数的模型也能够较好的表现破坏发展趋势并且通过调整参数,与同时考虑能量的模型分布相近,但其形式更为简单并且只与当前量有关,不需要积分计算,在程序中容易实现,为下一步嵌入程序选取模型提供重要的依据,为今后的工程应用提供有力的工具。     

空间钢框架结构的改进双重非线性分析

为了探讨三维结构的高等分析方法,给出基于UL法的严格三维单元虚功增量方程,详细推导了考虑剪切变形影响的三维梁柱单元的几何非线性切线刚度矩阵和基于三维单元简化塑性区模型的双重非线性刚度方程,并编制空间钢框架结构的双重非线性分析程序。使用包括几何与材料双重非线性的数值算例来验证方法和计算机程序的可行性、精确度与有效性。利用该程序,只需一个单元/构件即可准确预测空间钢框架结构的极限承载力与失稳模态,提高了结构的非线性分析效率。     

钢材高温材性模型对火灾下钢框架结构倒塌模拟的影响研究

“9·11”事件发生后,火灾下钢结构倒塌研究得到了世界各国学者的广泛关注。钢材的物理、力学性能在高温下会显著降低,从而钢结构极易发生倒塌。因此,该文基于平面钢框架在单柱受火条件下的倒塌试验,应用大型商业有限元软件ABAQUS的显式动力分析模块,并采用梁单元对试验进行数值模拟,重点研究了钢材高温材性模型对火灾下钢框架结构倒塌模拟的影响,提出了适用于火灾下钢框架结构倒塌模拟的钢材高温应力-应变本构模型和热膨胀系数模型的建议。该文列举了常用的三种高温应力-应变本构模型,同时考虑应变率效应的影响,通过模拟结果与试验结果的差异对比,分析了各个模型应用于火灾下钢框架结构倒塌模拟的有效性。理想高温应力-应变本构模型,会导致临界温度与失效模式模拟不准确,应用存在一定局限性;EC3高温应力-应变本构模型可较为准确地模拟准静态失效模式,但对于动力失效模式的模拟存在一定局限性;因此,对于准静态失效模式倒塌模拟,建议采用EC3或改进的EC3高温应力-应变本构模型;对于动力失效模式的倒塌模拟,建议采用改进的EC3高温应力-应变本构模型,并采用应变率效应增大系数（DIF）的方法以考虑应变率效应的影响。此外,通过四种钢材热膨胀系数模型的对比,进一步研究了钢材“相位变换”现象对火灾下钢框架结构倒塌模拟的影响。结果表明,虽然欧洲规范EC3给出了精细的热膨胀系数模型,但采用GB 51249取值的计算结果与试验符合更好,建议采用中国规范GB 51249的相关规定。     

强震下钢框架结构易损性分析及优化设计

该文建立了一种考虑结构地震反应滞回变形幅值对累积耗能损伤影响的双参数损伤模型,提出了一种基于易损性分析的评估钢结构在地震作用下损伤程度的方法,该方法以结构最大层间位移角作为评价结构整体能力的参数指标。以一个9层Benchmark钢结构为例,针对其在强震中的反应特征,对其薄弱层进行了优化设计,建立其优化前后的理论易损性曲线,对其在不同强度地震作用下的破坏状态进行评估。基于倒塌储备系数对优化前后结构的抗倒塌性能进行分析,结果表明:所提出的损伤评估方法能较准确地评估钢结构在强震作用下的损伤程度,优化设计后结构的抗倒塌能力显著提高。     

钢管混凝土框架柱计算长度研究

钢管混凝土框架柱计算长度是合理正确计算其承载力的重要参数,是进行钢管混凝土结构内力分析和设计必不可少的参数,因缺乏系统研究,现行钢管混凝土框架柱计算长度暂参照钢框架柱取值,由于两种结构体系受力特性的差异会导致结果不合理。该文基于ABAQUS软件,通过合理选取钢管混凝土框架的稳定简化模型,同时考虑几何非线性和材料非线性的影响对框架体系进行非线性屈曲分析,从而求解有侧移和无侧移钢管混凝土框架柱计算长度。在此基础上通过大量参数分析,分别得到了有侧移和无侧移钢管混凝土框架柱计算长度系数表,并回归了简化计算公式。为比较不同方法计算结果的差异,选取某四层四跨钢管混凝土框架典型算例进行比较,结果表明：该文考虑初始缺陷和非线性行为所得到的计算长度系数取值方法比现行按采用钢框架柱计算方法的结果偏大,无侧移框架柱变化范围为0.97%~4.05%,有侧移框架柱变化范围为9.95%~27.17%,可见材性差异及初始缺陷对计算长度系数影响较大,不可忽视。     

酸性大气环境下锈蚀钢框架柱双参数地震损伤模型研究

基于12榀酸性大气环境下锈蚀钢框架柱低周反复加载试验结果,进一步分析其损伤演变特性。充分考虑加载制度、加载路径、循环次数对锈蚀钢框架柱抗震性能的影响,提出了适用于酸性大气环境下锈蚀钢框架柱的双参数地震损伤模型,该模型可以体现出锈蚀钢框架柱的塑性变形损伤及累积损伤。利用部分试验结果,拟合得到损伤模型中的试验常数与轴压比、失重率之间的关系式。结合试验结果,对损伤模型的有效性进行了验证。研究结果表明:该模型可以较为合理地描述酸性大气环境下锈蚀钢框架柱地震损伤的产生及其演化过程。     

基于等损伤的钢框架结构抗震性能优化

等损伤设计是指在地震作用下结构所有构件(楼层)发生同等程度的损伤而形成均匀的侧向变形,使所有结构构件的性能均能充分发挥。该文采用优化准则法发展了基于OpenSees平台的钢框架结构等损伤抗震设计方法。通过提取结构在强震下的构件损伤指数来获得损伤指数比列阵,进而定量地对损伤严重部位进行加强、对损伤较轻部位进行削弱;基于材料总造价恒定和体系约束条件,对所有构件进行重新调整。以一个8层钢框架结构作为原始结构,采用规范反应谱拟合的一条人工地震动作为输入,探讨了不同超松弛因子对优化结果的影响;通过大样本时程分析,对比了结构优化前后的层间位移角分布、整体损伤指标、楼层损伤分布和整体抗震能力,结果表明该文的优化方法能有效的提高结构的抗震能力。     

Q690D高强钢基于连续损伤模型的断裂破坏预测分析

高强钢材在实际钢结构中已经开始逐步得到应用,该文针对Q690D高强度结构钢材,进行了钢材圆棒试样在单调加载和超低周循环加载下的断裂破坏试验,研究了试样裂纹的起始位置,分析了加载制度对试样承载能力和变形能力的影响,并采用扫描电镜观察了试样断口的微观形貌,断口呈现韧窝形式的延性断裂特征。基于Q690D钢材缺口圆棒试样的单调拉伸试验结果,结合有限元分析,标定了钢材的连续损伤模型参数。最后,应用钢材的连续损伤模型,对圆棒试样和带初始间隙试样在不同加载制度下的断裂破坏进行预测分析,得到试样的裂纹起始位置、荷载-位移曲线、断裂位移和疲劳寿命均与试验结果吻合良好。