应用改进非线性分层壳模型的超高层框架-核心筒结构强震响应分析

该文开发了一种适用于模拟超高层建筑中钢筋混凝土剪力墙的分层壳模型。超高层结构中剪力墙的截面尺寸会随着高度的增加不断减小,因此底层墙体的厚度与顶层墙体存在较大差异,导致NLDKGQ壳单元模拟超高层剪力墙构件力学性能不足。基于广义协调理论构造的厚薄板通用元TMQ对四边形平板壳单元NLDKGQ进行了改进,使其可以有效地模拟超高层剪力墙平面外的性能,并结合自行编制的混凝土二维膜材料开发了适用于模拟超高层剪力墙构件的分层壳模型。将提出的分层壳模型集成到自行开发的程序平台中,对板元采用缩减积分来克服可能的剪切闭锁问题,并依次应用于混凝土板、剪力墙构件及框剪结构的计算分析,验证了提出模型的合理性和可靠性;通过分析得出,当结构中剪力墙构件的数量较多、厚跨比较大且剪切效应明显时,建议采用能够考虑面外剪切的壳元。最后,对超高层框架-核心筒结构模型进行动力时程分析得出,是否考虑剪力墙构件的剪切变形对于整体结构的宏观响应影响较小,但对底层重要位置剪力墙构件非线性行为影响较大,因此很有必要开展针对超高层剪力墙壳元的研究。     

基于共旋三角形厚薄通用壳元的几何非线性分析

基于共旋列式方法发展了一种用于复合材料层合板结构几何非线性分析的简单高效的三结点三角形平板壳元。该壳元由具有面内转动自由度的广义协调膜元GT9与假设剪切应变场和假设单元转角场的广义协调厚薄通用板元TMT组合而成。为避免薄膜闭锁而采用单点积分计算与薄膜应变有关的项, 同时增加一个稳定化矩阵以消除单点积分导致的零能模式。基于层合板一阶剪切变形理论, 给出了考虑层合板具体铺层顺序的修正的横向剪切刚度, 使该壳元可用于中厚层合板结构的分析。由于共旋列式大转动小应变的假设, 共旋列式内核的几何线性的单元刚阵可仅计算一次而保存下来用于整个几何非线性求解的过程以提高计算效率。数值算例表明提出的壳元进行包括复合材料层合板结构的厚薄壳结构的几何非线性分析的精度高且效率高。     

高层建筑开洞剪力墙分析中板单元性能的比较

在高层建筑开洞剪力墙有限元分析中软件用户面临不同板单元模型的选取问题。首先讨论了板单元在计算板结构扭转问题时存在的困难;继而对SAP2000采用的薄板/厚板单元DKE/DSE、SATWE采用的厚薄通用广义协调板单元TMQ在板扭转问题中的性能进行了计算比较;最后利用这些模型分析了高层建筑开洞剪力墙问题。数值算例的结果表明,板单元对扭转问题的分析能力对开洞剪力墙的内力计算精度影响显著;而SATWE采用的厚薄通用广义协调板单元TMQ在模拟中具有明显的优越性。     

一种非线性显式分层壳单元及其GPU并行计算实现

通用有限元程序ABAQUS的钢筋混凝土显式分层壳单元被广泛应用于剪力墙抗震性能分析,但存在两个缺陷:①只能得到混凝土受压损伤和受拉损伤,无法反映混凝土剪切损坏,因此不易根据损伤类型对结构进行优化;②基于CPU并行计算,大规模计算效率较低。基于平面应力条件下的混凝土弹塑性损伤本构模型,根据混凝土损伤发展时的受力状态和工程实践需要将损伤分为受拉损伤、受压损伤和受剪损伤。结合可损伤分类的塑性损伤模型,给出了非线性壳元物理沙漏力和面内旋转力的构造方法,进而得到一种含面内旋转自由度的4节点24自由度四边形非线性显式分层壳单元。将该研究壳元在自主研发的基于CPU+GPU异构并行计算的非线性分析软件中完成开发实现;通过与ABAQUS benchmark算例结果对比,验证了开发内容的正确性;通过与剪力墙单调加载试验对比,验证了该研究壳元的合理性。分别采用自主研发软件和ABAQUS对上海地区某框架核心筒体系的超高层结构进行了罕遇地震非线性时程分析,结果表明:①自主研发软件与ABAQUS结果基本一致,而计算效率为ABAQUS计算效率的5.69倍;②自主研发软件得到的受拉损伤、受压损伤和受剪损伤损伤可更清晰地揭示核心筒在罕遇地震作用下的损坏演化规律和破坏模式。     

一种带边柱的钢筋混凝土剪力墙空间非线性分析模型

基于纤维模型概念,提出了一种便于钢筋混凝土高层框架-剪力墙结构空间非线性分析的带边柱剪力墙单元模型。将墙体和边柱视作一个整体单元,导出了相应刚度矩阵。用细分的纤维元模拟混凝土和钢筋的线性和非线性特性,墙元用平面纤维元模拟,柱元用空间纤维元模拟,在考虑墙、柱构件各自受力特点的同时,保证了模型的整体协调性。编制了可应用于钢筋混凝土高层框架-剪力墙结构空间分析的计算机程序。两个算例证明了该文模型的正确性和有效性。     

基于分层壳单元与纤维梁单元组合剪力墙滞回性能分析

为系统研究带边框组合柱剪力墙组合结构的抗震性能,基于分层壳单元与非线性纤维梁单元,在ABAQUS软件中进行用户材料模型子程序二次开发。用分层壳单元模拟剪力墙,纤维梁单元模拟外围组合框架,分别对钢管混凝土组合框架、带钢管混凝土边框柱及型钢混凝土边框柱的组合剪力墙进行低周往复加载试验数值模拟。计算、试验结果总体吻合较好。在此基础上,对比分析该类组合剪力墙滞回性能、受力特征及破坏特征,数值模拟获得墙板在典型时刻的裂缝分布等与实测结果接近。研究表明,采用分层壳单元与纤维梁单元能较准确、有效模拟带边框柱组合剪力墙体系的滞回性能,亦能较好描述剪力墙裂缝发展情况。该方法可为实现高层建筑钢与混凝土混合结构体系抗震性能有效、准确的数值模拟分析提供参考。     

基于新型大变形平板壳单元的剪力墙模型及其在OpenSees中的应用

数值模拟是研究超高层建筑地震灾变行为的重要手段。地震作用下,剪力墙作为超高层结构的重要抗侧力构件往往呈现出复杂的受力状态,甚至因结构倒塌而产生大变形破坏,因此有必要开发一个能准确考虑大变形的剪力墙单元。该文基于广义协调元理论和更新Lagrangian列式,提出了一种高性能四边形平板壳单元及其几何非线性列式,并将该模型集成于开源有限元程序OpenSees中,以经典算例验证了该单元的性能和应用于大变形计算的可靠性。通过将该单元与分层壳截面结合,该文对多种类型的剪力墙构件进行了模拟,并将模拟结果与试验结果进行对比,验证了该单元能较好的模拟剪力墙的复杂受力特性,且能有效模拟钢筋混凝土构件倒塌的关键特性,为进一步开展基于OpenSees的超高层结构地震灾变行为研究提供参考。     

一种空间剪力墙非线性计算模型

我国地震区的高层建筑结构一般都要布置复杂的钢筋混凝土剪力墙,如何有效模拟这些复杂墙体的力学性能就成为高层结构弹塑性分析的关键。该文在两元件墙单元模型的基础上提出了一种空间墙非线性分析模型,该模型考虑了墙体的轴向、弯曲和剪切弹塑性变形,并能合理考虑墙-墙、梁-墙交界处结点的位移协调。与试验结果对比分析表明,该文建立的墙单元模型具有自由度少和计算稳定等特点,可用于钢筋混凝土剪力墙结构的初步设计或整体性能评价,为复杂墙体弹塑性分析提供了可行的方法。     

基于离散宏单元的砌体结构高效非线性分析方法

砌体结构由力学性能不同的块体和砂浆构成，材料的各向异性使结构非线性行为体现出高度复杂性。砌体结构非线性分析模型主要包括分离式和整体式两种:分离式模型将块体、砂浆及二者粘结界面分开建模，可以精细化揭示砌体非线性行为和破坏形态，但非线性分析计算量大，多用于局部构件的细部分析和模拟；整体式模型将块体和砂浆假定为连续的匀质体，建模过程简单、易行，适用于整体结构的宏观分析。无论是分离式还是整体式，结构非线性计算分析中大规模刚度矩阵的实时更新与分解降低了分析效率。该文提出了一种基于整体式空间离散宏单元模型的砌体结构高效非线性分析方法，该方法采用剪切单元模拟砌体墙的斜截面剪切破坏模式，采用无厚界面单元模拟砌体墙的正截面弯曲破坏模式、正截面剪切滑移破坏模式和平面外剪扭破坏模式，进一步将剪切单元等效斜向弹簧的轴向变形和无厚界面单元上下表面的相对变形分解为线弹性和非线性两部分，并引入塑性自由度描述分离出的非线性部分，可将任意时刻的切线刚度矩阵表示为初始弹性刚度矩阵的低秩摄动形式，引入Woodbury公式进行求解，该文方法避免了大规模整体刚度矩阵的迭代更新，非线性分析的主要计算量仅集中于小规模非线性矩阵的更新与分解，显著提升了计算效率。     

层合板层间断裂分析的组合界面单元及其特性

提出了一种由刚性元和零厚度的内聚力单元组合而成的新型界面单元,该界面单元嵌在板壳结构界面之间,可用来模拟界面损伤的起始和演化,能考虑板壳的平动和转动对分层损伤的作用。该界面单元具有有限厚度,八个结点,每个结点有五个自由度,通过刚性元将板壳单元结点的位移和结点力转换到内部零厚度的内聚力单元上,界面损伤通过内聚力单元的损伤演化体现出来。采用板壳单元和新型界面单元建立有限元模型,对混合弯曲(MMB)试验和双悬臂梁(DCB)弯曲试验进行了计算模拟,计算结果能很好地模拟结构的界面损伤过程。相比传统的用内聚力单元和三维实体单元组成的模型,建模方便,在精度相当的前提下,可以使单元尺寸增大一倍,减少裂尖内聚力区域(cohesive zone)内的单元数量,缩小计算规模,提高计算效率。     

基于应变分解方法的钢筋混凝土开裂模型

为了克服传统弥散裂缝模型的不足,采用应变分解的方法,推导了钢筋混凝土单元的开裂模型;通过假定裂缝面法向和切向变形解耦,采用混凝土非线性断裂力学的基本理论分别构造裂缝面法向和切向的本构关系;对于混凝土单元中的钢筋,在开裂后不仅考虑其轴向刚度,同时采用弹性地基梁模型考虑其横向作用对开裂混凝土应力传递的影响;采用FORTRAN语言编制程序,通过与经典梁、板构件试验结果的比较,表明该模型的合理性和有效性;可用于钢筋混凝土结构非线性和极限承载力的分析。     

广义协调平板型三角形壳元

本文构造了一种具有三个角点十八个自由度的平板三角形壳元GST18。其拉伸与弯曲部分分别由含旋转自由度的三角形膜元和薄板弯曲三角形元组成。广义协调方法的采用,使得该单元的收敛性得到保证。在结点上引入了平面内旋转自由度,从根本上克服了单元共面刚度矩阵出现奇异这一困难。对平面膜元采用了缩减积分方案,使该单元不会产生薄膜闭锁现象。数值算例表明,本文提出的GST18薄壳元是计算精度优于同类单元的可靠、实用的单元。     

双尺度一致割线刚度算子的第二类BFGS表达方法EI北大核心CSCD

将双尺度一致割线刚度算子的第二类BFGS表达方法纳入到混凝土双标量弹塑性损伤本构模型。为了在计算效率和稳健性之间寻求一个较好的平衡点,在结构尺度,采用拟牛顿方法进行刚度矩阵更新求解;在材料尺度,通过第二类BFGS更新方法构造刚度矩阵进行迭代求解。基于第一类和第二类BFGS更新算式,建立了一维和二维的混凝土弹塑性损伤本构,采用两尺度一致割线刚度的求解策略,对钢筋混凝土柱和剪力墙在反复荷载作用下的滞回行为进行了分析。结果表明:两类BFGS割线刚度算子的构造方法对梁柱单元的分析均具有较好的适用性。而墙板分层壳单元的分析结果表明:第二类BFGS表达方法较第一类BFGS表达方法具有更好的数值稳定性。     

钢管混凝土框架-RC剪力墙混合结构滞回性能分析

为了研究带钢管混凝土边柱钢筋混凝土(RC)剪力墙的抗震性能,在其他研究者完成的带钢管混凝土边柱RC剪力墙和普通钢筋混凝土剪力墙滞回性能试验结果的基础上,采用开源非线性分析程序OpenSees平台中的非线性纤维模型对其进行了低周往复试验的数值模拟,通过直接在截面层次定义非线性剪切恢复力的方法来模拟纤维截面的抗剪。计算结果与实测结果总体吻合较好,研究表明：这种考虑剪切效应的纤维模型法能够较好的模拟该类组合剪力墙的抗剪承载力、捏缩效应以及刚度退化,而且运算效率较高。     

混凝土结构抗震非线性分析模型、方法及算例

结构在大震作用下会进入非线性并产生损伤,准确预测地震荷载下钢筋混凝土结构的非线性行为,对评估混凝土结构的抗震安全性具有重要意义。清华大学土木工程系近年来开发的适用于钢筋混凝土杆系结构的纤维模型THUFIBER程序,适用于预应力混凝土杆系结构的纤维模型NAT-PPC程序,以及适用于剪力墙结构的分层壳墙元模型的非线性分析程序。这些程序可以直接将构件的非线性节点力(轴力、剪力和弯矩)、节点变形(平动和转动)和材料的非线性应力-应变行为联系起来,可以模拟各种复杂受力构件的滞回行为和轴力-双向弯曲-剪切耦合行为,借助通用有限元程序方便的前后处理功能和非线性计算功能,该程序可以准确模拟地震作用下结构的三维非线性地震响应,也可模拟爆炸、倒塌等极端非线性行为,通过一系列的数值分析与试验结果的对比和工程应用算例,说明所研发程序的精度和计算能力。     

用于光滑/非光滑壳的稳定化新型协同转动4节点四边形壳单元

该文发展了一种适用于光滑壳和非光滑壳的新型协同转动4节点四边形壳单元。在单元中每个节点采用了3个平动自由度和2/3个矢量型转动自由度,每个光滑壳的节点或非光滑壳的非交界节点采用壳中性面法向矢量的2个最小分量作为矢量型转动变量,在非光滑壳中性面交界线上的节点采用3个矢量型转动变量,他们分别是节点定向矢量组中一个定向矢量的较小或最小分量和另一定向矢量的2个最小分量。在非线性增量求解过程中,这些矢量型转动变量可以采用简单的加法将增量累加到原矢量中直接进行更新,且采用了协同转动框架的单元在局部和整体坐标系下得到的切线刚度矩阵都是对称的,结构整体切线刚度矩阵可以采用一维线性存储,可节省大量的计算机存储资源和计算时间。为消除膜闭锁和剪切闭锁的不利影响,采用单点积分方案计算单元内力矢量和切线刚度矩阵,并借鉴Belytschko提出的物理稳定化零能模态控制法来消除可能出现的零能模态。通过对2个光滑壳和2个非光滑壳进行非线性分析,检验了单元的可靠性、计算效率与计算精度。     

一个基于膜板比拟理论的四节点十六自由度的平板壳单元

应用膜板比拟关系,可以避开1c连续性的困难,为板单元的构造提供了一种新的途径,并已成功地构造出一系列相应的板单元。本文提出了一个四节点十六自由度的平板壳单元,该单元由平面四节点理性元RQ4(膜部分)和由膜板比拟理论构造的一个四节点八自由度的板单元(弯曲部分)构成。该单元构造简单,自由度少,数值结果表明具有良好的收敛性和精度。     

三维退化壳条分析钢筋混凝土板壳

将三维退化壳条应用到板壳结构的非线性分析,几何非线性是通过VonKármán假定考虑的。将钢筋混凝土结构的材料非线性特性应用于壳条,该壳条可以用来分析变厚度、任意配筋的钢筋混凝土板壳几何和材料非线性。利用“拟刚度矩阵法”,消除了有限条法在非线性分析时刚度矩阵与级数项的耦合,大大简化了有限条在处理非线性问题时的数值计算。两个算例的结果验证这种理论方法的有效性和精度。     

开洞钢板剪力墙的抗侧刚度分析

钢板剪力墙作为一种新型抗侧力结构体系,墙板开洞对钢板剪力墙结构体系的抗侧力行为具有重要影响。抗侧刚度和抗侧承载力是设计中最为关心的两项基本性能,该文重点研究墙板开洞对抗侧刚度的影响。首先介绍了3个钢板剪力墙试件的低周往复荷载试验,试验表明钢板剪力墙试件抗震性能优越,开洞会影响试件的抗侧刚度和抗侧承载力。随后,建立了钢板剪力墙结构的壳-实体精细有限元单层模型,研究了影响抗侧刚度的关键因素。在此基础上,通过大量数值计算和参数分析,提出了用于计算开洞墙板厚度折减率的简化计算公式,建议结构体系建模时以折减厚度的不开洞墙板代替实际厚度的开洞墙板,计算公式和精细有限元计算结果进行充分对比,具有良好的精度。最后,采用考虑剪切变形的悬臂梁理论和该文建议的厚度折减率简化计算公式对国内外一些不开洞与开洞钢板剪力墙试验进行验证,理论结果与试验结果吻合良好,该文建议的开洞墙板厚度折减率公式与抗侧刚度理论计算模型具有较高的精度,可供工程设计参考。     

反复荷载下钢筋混凝土剪力墙的非线性有限元分析

本文介绍了反复荷载下非线性有限元分析程序,该程序针对钢筋混凝土剪力墙类结构的特点,采用了钢筋与混凝土复合单元计算模型,考虑混凝土裂面接触效应的反复加载混凝土应力-应变关系。在钢筋应力-应变关系中,还同时考虑了混凝土开裂后钢筋的拉伸强化效应及反复荷载下钢筋的Bausinger效应。本文还介绍了作者利用该程序对反复荷载试验的试件及Ger-venka的剪力墙板进行的计算分析。结果表明,本文所采用的分析模型是合理、准确的;和国内外以往的分析比较,本文的方法成功地消去了力-位移滞回曲线中的拐点现象,而且计算的混凝土裂缝开闭也能和实测较好地吻合。表明本文方法能为分析反复荷载下钢筋混凝土剪力墙类结构性能提供一个准确、有力的工具。