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。     

基于IDA的全钢管混凝土框架结构地震易损性研究

为研究全钢管混凝土住宅框架结构的性能,通过OpenSees平台建立了16层全钢管混凝土框架的有限元模型,基于增量动力分析的方法对结构进行不同强度地震作用下的动力时程分析,定义了不同破坏状态下的结构性能水准,根据概率需求分析模型得到地震易损性曲线,并结合易损性指数定量的评价结构震后破坏程度.结果 表明:随着PGA的增大,...     

框架结构在撞击荷载作用下的动力响应分析

以某工程局部9层框架为研究对象,利用有限元软件LS-DYNA模拟汽车撞击钢管混凝土柱-钢梁混合框架、钢筋混凝土框架以及钢框架三种框架结构的过程,获得了三种框架结构钢材应力云图、混凝土损伤云图、撞击力时程曲线及结构变形等动力响应。分析了三种框架结构在撞击荷载作用下的破坏模式,分析结果表明:受到撞击荷载作用后,钢管混凝土柱-钢梁混合框架的动力响应具有局部性,而钢筋混凝土框架整体遭到严重破坏,结构发生连续性倒塌;钢管混凝土柱-钢梁混合框架的抗撞击性能远优于钢筋混凝土框架。并根据研究结果,提出框架结构的变形限值条件以及撞击力代表值的计算公式,用以评价、比较框架结构的抗撞击性能,给出了在实际工程中提高框架结构抗撞击性能的设计建议。     

异形柱框架结构地震作用下弹塑性反应分析研究

利用大型通用有限元分析软件ANSYS对某一钢筋混凝土异形柱框架结构振动台实验模型弹性阶段的动力模态进行了分析,并用时程分析法进行弹塑性地震反应分析计算,计算值与实验值吻合性较好.结果表明,利用ANSYS软件建立钢筋混凝土异形柱框架结构的三维模型进行弹塑性地震反应分析是可行的,并能得到较好的精度.     

考虑土与结构接触效应的动力相互作用分析

采用动力有限元时程分析方法,利用大型通用有限元软件MARC,对土-桩基础-框架结构相互作用的接触效应问题进行了数值研究,以野外大比例桩基础框架模型为算例,探讨了在地震荷载作用下土-桩基础-框架结构三维接触效应。结果表明考虑接触效应后,结构柱子上的弯矩、剪力、内力明显减小。对结构附近的土体作用也有一定的影响,影响很小,可以忽略不计。计算表明强震作用下动力时程分析计算时应考虑接触效应。     

外钢管对钢管混凝土柱抗撞击性能影响的有限元分析

利用ANSYS和ABAQUS两种有限元软件建立了钢管混凝土柱在侧向撞击下力学性能的有限元分析模型,模型得到的计算结果均与已有试验结果的吻合度较高。采用建立的有限元计算模型进行了钢管强度对钢管混凝土在侧向撞击力作用下冲击力时程和侧向位移的影响分析,探明了钢管强度对构件抗撞击性能的影响规律。     

钢-混凝土组合框架抗震性能分析

为研究钢-混凝土组合框架在地震作用下动力性能及破坏形式,为钢-混凝土组合框架在地震区的使用提供依据,进行了1/3比例钢管混凝土柱-钢混凝土组合梁组合框架结构模型振动台试验研究。通过试验,得到不同地震烈度下组合框架结构的动力特性、位移响应、加速度响应。应用SAP2000软件对该结构进行不同烈度地震作用下的弹性时程分析和弹塑性时程分析,得到各水准地震作用下结构动力特性和位移反应,分析结构的地震损伤破坏过程及损伤分布情况。     

斜撑框架结构动力性能的有限元分析

根据斜撑框架结构振动台试验模型建立有限元计算模型,采用空间结构有限元分析程序SAP93进行模态分析,计算了模型在单向及三向地震波作用下的动力时程响应,并考察了斜撑取不同计算单元时对结构动力特性造成的影响。     

钢管混凝土框架结构力学性能非线性有限元分析

在考虑材料非线性和几何非线性的基础上进行了钢管混凝土柱-钢梁平面框架结构力学性能的非线性有限元分析,核心混凝土采用考虑钢管约束效应的应力-应变关系,钢材采用二次塑流模型或线性强化模型,通过在有限元公式中引入几何刚度矩阵,并在荷载步中更新坐标描述二阶效应来反映框架结构的几何非线性效应。基于近似修正的拉格朗日表述来反映框架结构变形前后位形之间的关系,利用虚功原理建立相应的增量平衡方程,并采用位移增量法求解非线性有限元方程,理论计算结果得到试验结果的验证。分析表明,基于非线性纤维梁-柱单元理论的分析方法可以反映钢管混凝土框架在受力过程中构件屈服和塑性分别沿截面和杆长两个方向扩展的分布塑性特征,并考虑初始缺陷、残余应力等,因此可较好地反映钢管混凝土框架的力学性能。在此基础上对影响钢管混凝土框架力学性能的主要因素进行了参数分析,分析的具体结果可供有关研究或工程应用参考。     

新型方钢管混凝土柱梁节点有限元分析

结合现行钢管混凝土柱在实际工程中的应用情况,提出了用于方钢管混凝土柱—钢筋混凝土梁框架结构的新型节点连接形式——非穿心暗钢牛腿方钢管混凝土柱与混凝土梁节点,利用有限元软件ANSYS对该节点的力学性能进行了分析,并与试验结果进行了比较,计算结果表明:有限元计算模型适用于该类型节点的分析,从计算和试验两方面均得出新型钢管混凝土节点满足强柱弱梁、节点更强的原则。     

空间钢框架结构的改进塑性区模型

为探讨三维结构的高等分析方法 ,给出了基于非线性连续介质力学理论和考虑剪切效应的稳定插值函数所建立的严格三维梁柱单元切线刚度方程 ,并提出了基于三维单元改进塑性区模型的双重非线性刚度方程。在方程中考虑了轴向位移、弯曲位移和扭转位移的耦合效应 ,使用包括几何与材料双重非线性的数值算例来验证本文方法和计算机程序的可行性、有效性与精确度。利用该程序 ,每个构件只需一个单元即可准确预测三维结构的极限承载力与失稳模态 ,可提高结构非线性空间性能的分析效率。     

空间支撑钢框架结构的三重非线性分析

为了探讨三维结构的高等分析方法,本文将有限单元法与梁柱法相结合,建立了空间支撑钢框架结构的三重非线性分析方法,该法综合考虑了几何、材料和连接非线性效应。文中基于非线性连续介质力学理论和考虑剪切效应的稳定插值函数建立的严格三维梁柱单元刚度矩阵,包含了轴向、剪切、双向弯曲与扭转及其各耦合效应。三维单元简化塑性区模型可模拟塑性扩展,利用单元两端抗转弹簧和考虑支撑效应的节点域剪切变形模型来模拟连接非线性。使用包括几何、材料和连接非线性的数值算例来检验本文方法和所编计算机程序的可行性、有效性与精确度。算例表明,利用本文方法,每个构件只需一个单元即可准确预测三维结构的极限荷载与失稳模态,可提高结构非线性空间性能的分析效率。     

基于高效精细化连梁计算单元的高层结构核心筒地震行为模拟

钢筋混凝土联肢剪力墙和核心筒在多高层结构体系中有着广泛应用。本文基于所开发的用于钢筋混凝土连梁地震反应分析的考虑非线性剪切的纤维梁单元,结合常规不考虑非线性剪切的纤维梁单元和分层壳单元,在通用有限元软件MSC.MARC(2007r1)平台上建立了一种新的联肢剪力墙和核心筒分析模型。模型分别采用所开发连梁单元、分层壳单元和常规纤维梁单元模拟钢筋混凝土连梁、剪力墙和边缘约束构件,具有高效、准确、建模方便的特点。首先利用相关联肢墙拟静力试验验证模型的准确性。随后对一31层高的核心筒结构进行地震反应模拟,重点对地震激励过程中核心筒内各处连梁的受力规律进行了详细分析,并与采用分层壳单元的计算模型进行了对比。本文提出的联肢剪力墙、核心筒计算模型为基于通用有限元软件平台的高层结构体系弹塑性分析提供了一种新的工具。     

基于纤维模型RC框架结构非线性全过程分析

纤维模型对梁、柱单元非线性全过程分析能有更加精确和完整的把握,是目前结构非线性分析模型的研究热点,而在极限承载力附近的计算发散问题,一直是困扰混凝土结构非线性全过程分析的关键问题.本文基于纤维模型提出了一种可以用于混凝土结构全过程分析的算法,编制了柔度法分析程序,直接从材料本构关系出发,对平面钢筋混凝土框架结构进行了全过程非线性静力分析.同试验结果的对比表明,程序具有较好的分析非线性问题的能力.     

考虑非线性剪切效应的钢筋混凝土柱模型化方法及应用

采用纤维模型梁柱单元和与之串联的零长度单元,模拟柱的弯曲机制和剪切机制。利用OpenSees提供的Limit State Material和Shear Limit Curve材料模型,定义钢筋混凝土柱的非线性剪切效应及其与弯曲效应的耦合。通过与不同学者的试验结果比较,验证了该方法的可靠性。最后,对笔者完成的原位推覆试验的一榀平面框架进行了Pushover分析。结果表明,考虑非线性剪切效应的模型化方法能较好地模拟钢筋混凝土柱抗剪承载力和刚度的退化现象,传统的纤维模型梁柱单元难以反映配箍不足的钢筋混凝土柱的弯剪破坏机制。该方法可用于存在抗剪能力缺陷的框架结构的非线性分析。     

Biaxially loaded high-strength concrete-filled steel tubular slender beam-columns,Part I: Multiscale simulation

The steel tube walls of a biaxially loaded thin-walled rectangular concrete-filled steel tubular (CFST) slender beam-column may be subjected to compressive stress gradients. Local buckling of the steel tube walls under stress gradients, which significantly reduces the stiffness and strength of a CFST beam-column, needs to be considered in the inelastic analysis of the slender beam-column. Existing numerical models that do not consider local buckling effects may overestimate the ultimate strengths of thin-walled CFST slender beam-columns under biaxial loads. This paper presents a new multiscale numerical model for simulating the structural performance of biaxially loaded high-strength rectangular CFST slender beam-columns accounting for progressive local buckling, initial geometric imperfections, high strength materials and second order effects. The inelastic behavior of column cross-sections is modeled at the mesoscale level using the accurate fiber element method. Macroscale models are developed to simulate the load-deflection responses and strength envelopes of thin-walled CFST slender beam-columns. New computational algorithms based on the Müller's method are developed to iteratively adjust the depth and orientation of the neutral axis and the curvature at the column's ends to obtain nonlinear solutions. Steel and concrete contribution ratios and strength reduction factor are proposed for evaluating the performance of CFST slender beam-columns. Computational algorithms developed are shown to be an accurate and efficient computer simulation and design tool for biaxially loaded high-strength thin-walled CFST slender beam-columns. The verification of the multiscale numerical model and parametric study are presented in a companion paper.     

Nonlinear inelastic analysis of space frames

In this paper, a fiber beam-column element which considers both geometric and material nonlinearities is presented. The geometric nonlinearities are captured using stability functions obtained from the exact stability solution of a beam-column subjected to axial force and bending moments. The material nonlinearities are included by tracing the uniaxial stress-strain relationship of each fiber on the cross sections. The nonlinear equilibrium equations are solved using an incremental iterative scheme based on the generalized displacement control method. Using only one element per member in structure modeling, the nonlinear responses predicted by the proposed element compare well with those given by commercial finite element packages and other available results. Numerical examples are presented to verify the accuracy and efficiency of the proposed element.     

考虑节点域变形效应的空间支撑钢框架结构二阶弹塑性分析

详细推导了基于非线性连续介质力学理论和考虑剪切效应的稳定插值函数所建立的严格三维梁柱单元虚功增量方程和切线刚度方程, 该方程包含了轴向、剪切、双向弯曲与扭转及其各耦合效应。提出的三维单元简化塑性区模型可模拟塑性扩展。建立了考虑支撑效应的节点域剪切变形模型, 该模型可更真实地反映节点域的变形影响。使用包括几何、材料非线性和节点域变形影响的数值算例来检验本文方法和所编计算机程序的可行性、有效性与精确度。算例表明: 利用该程序, 每个构件只需一个单元即可准确预测三维结构的极限荷载与失稳模态, 可提高结构非线性空间性能的分析效率。该程序可用于三维结构的非线性全过程分析, 为建立高层钢结构的高等分析方法奠定了基础。     

钢管混凝土减震框架与钢管混凝土框架-剪力墙结构的对比试验研究

设计两榀比例为1:4、梁柱构件尺寸相同的试件:一榀为设置新型三重钢管防屈曲支撑的钢管混凝土减震框架,一榀为普通钢管混凝土框架-剪力墙结构。对两个试件进行反复荷载作用下的抗震性能试验,对比分析两种结构的破坏特征、滞回性能、骨架曲线、强度和刚度退化、耗能能力和关键点应变等抗震性能指标。试验结果表明:钢管混凝土减震框架结构具有与钢管混凝土框架-剪力墙结构相当的承载力,并在变形能力、延性和耗能能力等方面均有明显的提高,对刚度退化和强度退化也有明显的缓解,具有更合理的受力性能和破坏机制,新型三重钢管防屈曲支撑起到良好的耗能减震作用,有效地改善钢管混凝土框架的抗震性能。