基于纤维梁柱单元的钢筋混凝土柱往复荷载作用下破坏过程分析

为高效准确地模拟往复荷载作用下钢筋混凝土构件的破坏过程,基于结构精细化模拟分析平台(RSAPS)中的纤维梁柱单元模型,建立一种考虑损伤破坏的钢筋本构模型,并构建了材料破坏准则,从而建立了钢筋混凝土构件受力破坏的分析方法。应用RSAPS平台对钢筋混凝土柱往复加载试验进行模拟,结果表明考虑钢筋损伤破坏的模型可以很好地模拟构件的刚度和承载力退化过程,模拟结果与试验结果更为吻合;进一步对往复荷载作用下钢筋混凝土柱的破坏过程进行模拟分析,结果表明考虑钢筋损伤破坏的模型能够准确地模拟由于局部材料失效破坏导致的钢筋混凝土构件承载力退化、耗能能力降低等非线性行为,可以较好地描述往复荷载作用下钢筋混凝土构件的破坏过程,可用于地震作用下建筑和桥梁结构倒塌过程分析。     

钢筋与混凝土间粘结应力－滑移关系的应力变分模型

在分析试验资料的基础上，应用应力变分法建立了钢筋混凝土梁在集中荷载作用下钢筋与混凝土间的粘结滑移模型．该模型既能圆满地满足边界条件，又综合考虑了材料特性、保护层厚度等因素的影响及粘结滑移关系沿钢筋位置的变化，且与试验结果符合较好，为研究钢筋混凝土构件的刚度、变形和裂缝宽度及应用有限单元法分析钢筋混凝土结构的非线性性能提供了一个较实用的模型．     

钢筋与混凝土间粘结应力—滑移关系的应力变分模型

在分析试验资料的基础上，应用应力变分法建立了钢筋混凝土梁在集中荷载作用下钢筋与混凝土间的粘结滑移模型。该模型既能圆满地满足边界条件，又综合考虑了材料特性、保护层厚度等因素的影响及粘结滑移关系沿钢筋位置的变化，且与试验结果符合较好，为研究钢筋混凝土构件的刚度、变形和裂缝宽度及应用有限单元法分析钢筋混凝土结构的非线性性能提供了一个较实用的模型。     

钢筋黏结滑移模型及OpenSees有限元模拟

基于钢筋混凝土构件端部锚固钢筋黏结-滑移机理,在Ustuner局部黏结应力-滑移关系的基础上推导出钢筋应力-滑移关系骨架曲线的计算方法.分析了配箍率、混凝土的有效约束宽度、钢筋延伸长度对钢筋应力-滑移关系的影响.将推导的钢筋应力-滑移关系曲线应用于OpenSees有限元软件中,对已有的2根既有钢筋混凝土构件进行有限元模拟,分析结果与试验结果符合良好.     

基于离散单元法的杆段纤维模型研究

目的为使离散单元法能够适用于钢筋混凝土梁柱构件在往复荷载作用下的非线性分析.方法在离散单元法中杆段多弹簧模型的基础上,提出了杆段纤维模型.该模型将梁柱构件划分为若干刚体单元,相邻单元间由多个混凝土与钢筋轴向纤维组成的纤维束连接.并建立单元位移与纤维变形、纤维内力与单元约束力之间的变换矩阵,以形成单元与纤维束的力-位移关系.混凝土与钢筋轴向纤维,分别采用相应材料的单轴应力-应变本构模型.并开发了基于杆段纤维模型的钢筋混凝土结构非线性分析程序DEM-COLLAPSE.对钢筋混凝土柱进行算例分析,并与有限元分析结果进行对比.结果实现了将杆段纤维模型用于低周往复荷载作用下钢筋混凝土柱的非线性性能模拟.杆段纤维模型的计算结果与有限元模拟结果及试验结果均较为吻合.杆段纤维模型中纤维数量对计算结果影响较小,截面纤维束划分方式取5×5或7×7较为合理.结论笔者提出的杆段纤维模型使得离散单元法能够模拟钢筋混凝土梁柱构件在断裂破坏前的非线性性能,并具有与有限单元法相近的计算精度,拓展了离散单元法的应用范围与计算能力.     

基于ABAQUS纤维梁的钢筋混凝土材料模型二次开发

目的研究ABAQUS纤维梁钢筋混凝土材料本构模型,以解决软件中缺乏可用的三维梁单元约束混凝土材料模型及软件自带金属塑性材料模型无法考虑加卸载过程中刚度退化等问题.方法采用FORTRAN语言,基于经典混凝土和钢筋单轴材料本构模型,开发用于显式模块的钢筋混凝土梁单元材料子程序.首先,通过对钢筋的变幅值拉伸试验和素混凝土柱往复拉、压过程的模拟对子程序的有效性进行了初步验证;其次,分别采用不同的材料本构模型对钢筋混凝土梁、柱拟静力试验进行数值仿真,验证子程序用于构件分析的准确性和有效性;最后,以一个12层方钢管混凝土平面框架结构为例,分别建立二维和三维有限元模型,并进行地震作用下动力弹塑性时程分析.结果钢筋混凝土梁、柱试验的数值模拟结果与试验结果吻合良好,对比误差均小于4%,对钢管混凝土平面框架结构弹塑性地震反应分析结果也较为理想.结论采用不同钢筋加载规则得到的构件荷载-位移骨架曲线大致相同,但滞回捏拢行为有显著改变.与ABAQUS自带材料本构模型相比,笔者所开发的材料子程序可以更好地反映循环荷载作用下钢筋混凝土构件及结构的力学特性,可用于构件及结构的非线性分析.     

考虑黏结滑移RC框架结构抗倒塌性能分析

钢筋混凝土框架梁在倒塌过程中会经历大变形受力阶段,为研究钢筋黏结滑移效应对其抗倒塌性能的影响,特别是悬索阶段的受力特性,基于OpenSees非线性有限元分析平台以及一组钢筋黏结滑移模型参数,采用梁柱节点单元对约束梁子结构试验进行了数值验证,计算结果有效反映了结构的弹性与塑性变形、压拱效应以及悬索阶段的受力特性,且与试验结果吻合良好.基于计算结果,对一榀单层和一榀三层平面框架结构的试验结果进行了数值模拟,并分析了层数和跨数对平面框架结构抗倒塌性能的影响以及倒塌受力机理.     

考虑多种非线性变形的RC框架单元模型

提出一种钢筋混凝土框架结构弹塑性地震反应分析的杆件单元模型 ,着重介绍节点滑移子单元和剪切子单元的柔度矩阵的建立过程 .该单元模型把框架结构构件 ,由分布弹塑性梁子单元、节点滑移子单元和剪切子单元等 3个在节点上串联的子单元组成 .这两个子单元模型能够分别考虑纵向钢筋在节点内的粘结滑移 ,构件关键受力区域的剪切变形随复杂加载历史的变化过程 .该法从子单元柔度矩阵的计算到单元刚度矩阵的建立过程 ,力学概念明确 ,大大简化多种变形成分和复杂加载历史下 ,构件单元刚度矩阵的建立过程 ,可应用于非线性地震反应分析     

钢筋混凝土构件拉伸破坏过程的三维模拟研究

采用三维的材料破坏过程分析系统RFPA3D(3D-Realistic Failure Process Analysis)对钢筋混凝土轴心受拉构件的受力、变形与内部裂纹萌生、扩展及最终破坏的断裂全过程进行了数值模拟。充分考虑了混凝土的非均匀性,通过简单直观的本构模型并采用单元材料性质弱化的办法,利用位移加载来实现钢筋混凝土构件的拉伸破坏过程,再现了钢筋混凝土结构中等间距裂缝形成过程,从细观角度模拟分析了混凝土及钢筋的破坏过程及破坏机理。数值试验结果对于深入了解钢筋和混凝土的联合受力规律有参考价值。     

锈蚀钢筋混凝土梁疲劳性能数值模拟分析

依据已有试验数据建立锈损钢筋混凝土梁的有限元模型,将锈蚀和疲劳荷载各作为一种损伤变量加到钢筋混凝土模型梁中去,进行有限元模拟分析.从分析中得到不同锈蚀率钢筋混凝土梁的疲劳性能.将由钢筋疲劳本构关系计算出的梁的疲劳寿命值与试验梁结果值进行比较,证明了分析模型的合理性,为损伤构件的抗疲劳设计提供了依据.     

基于梁柱单元的钢筋混凝土桥墩地震损伤分析

Faria-Oliver模型是一个简单而有效的混凝土损伤模型.基于Faria-Oliver模型提出了混凝土单轴损伤模型,且加以修正以更好地模拟混凝土单边效应;在ABAQUS软件平台上,编制了含有钢筋修正Menegotto-Pinto模型和混凝土单轴修正Faria-Oliver损伤模型的用户材料子程序VUMAT,建立了纤维模型等效模拟方法;分别模拟了一钢筋混凝土桥墩试件的循环加载试验和一钢筋混凝土桥墩试件的振动台试验,模拟结果与试验结果基本吻合.研究表明:本文所给出的单轴本构模型及纤维模型等效模拟方法有效、适用;基于梁柱单元的钢筋混凝土桥墩地震损伤分析不仅计算效率高而且提供了地震损伤演化过程信息,具有较强的工程实用性.     

冻融和锈蚀环境下混凝土受弯构件的刚度计算模式研究

针对东北寒冷地区混凝土结构耐久性问题开展试验研究,分析了冻融循环和钢筋锈蚀共同作用下钢筋混凝土受弯构件的受力性能,揭示了冻胀现象和钢筋锈蚀对钢筋混凝土受弯构件抗变形能力的影响规律,并建立了冻融和锈蚀环境下混凝土受弯构件的刚度计算模型,经试验验证、分析对比结果表明,计算模型合理可行.     

基于刚度退化和纤维单元的RC构件损伤模型

为了评估钢筋混凝土(RC)构件的损伤状态,在Maltab中建立了基于刚度退化和纤维梁柱单元的损伤模型.首先在OpenSees中建立基于纤维梁柱单元的构件、结构数值分析模型,将分析模型所得到的纤维应力、应变值导入在Matlab中所建立的损伤模型,并计算纤维、截面、构件的损伤值.所建立的损伤模型使用再加载刚度退化定义混凝土纤维的损伤,使用低周疲劳准则定义钢筋纤维的损伤,使用塑性应变定义预应力筋的损伤,并分别使用截面抗弯刚度退化、杆端抗弯刚度退化评估截面、构件的损伤.最后,选取循环荷载作用下的一榀预应力混凝土框架结构试验,对所建立损伤模型的适用性进行验证.结果表明:该损伤模型不仅可以准确地预测构件的损伤状态,而且可通过刚度组装和静力凝聚方法在各层次损伤指数间建立紧密的联系.此外,所建立的损伤模型将来可被嵌入OpenSees,直接实现针对混凝土构件和结构的损伤评估.     

初始拉拔长度对钢筋混凝土构件粘结滑移的影响

钢筋混凝土构件之间的粘结-滑移是分析钢筋混凝土结构所遇到的特有问题。国内外学者在这方面作了大量的实验研究得出了实验公式。在本文首先将钢筋与混凝土作为一个连续的整体,对钢筋与混凝土分别取各自的基本材料性能指标和单元,建立模型;然后生成钢筋与混凝土间的接触面,以位移的形式加载,改变钢筋初始拉拔长度的大小,利用ANSYS软件模拟其对粘结滑移的影响。     

基于FENAP平台的钢筋混凝土桥墩非线性动力分析

为精细模拟钢筋混凝土桥墩的非线性动力行为,基于钢筋混凝土纤维梁柱单元实用模拟分析平台FENAP,研究了结合纤维梁柱单元与有限元软件ABAQUS进行非线性动力分析的原理,推导了动力分析过程,并开发了FENAP平台的非线性动力分析模块.应用该模块分别模拟了钢筋混凝土桥墩在单向地震激励下的数值试验和钢筋混凝土桥墩在双向地震激励下的振动台试验.结果表明,基于FENAP平台所开发的非线性动力分析模块,可有效模拟钢筋混凝土桥墩的复杂非线性行为,可考虑双向弯矩和轴力的耦合作用,且求解精度和计算效率较高,为长大桥梁结构的地震灾变过程模拟提供了一种实用分析手段.     

用有限元法分析钢筋混凝土结构

本文阐述了用有限元法非线性分析钢筋混凝土结构的一般方法,建立了钢筋和混凝土单元的模型,采用"连合单元"模拟钢筋和混凝土之间的粘结作用,并考虑了双向受力下混凝土的特性,编制出了计算程序,能用以分析各种钢筋混凝土结构平面问题从加载到破坏的全过程,本文并计算了钢筋混凝土梁作为例子.     

平面梁单元的非节点连接方法

为了在平面梁单元范畴内解决钢筋混凝土结构的建模问题,将钢筋与混凝土视为不同的单元,在分析平面梁单元内任一点位移的基础上,根据位移协调条件,利用虚功原理建立了钢筋单元与混凝土单元不需要通过节点连接的非节点连接方法.该方法能够比较方便地模拟工程结构中构件含加劲材料、构件截面在不同阶段变化等复杂组合和连接问题.算例考察了钢筋混凝土梁的位移和加固问题,验证了方法的可行性,演示了在使用上的便利.     

钢筋混凝土相互作用效应的钢筋刚化模拟

为了分析大体积钢筋混凝土配筋结构的承载能力,发展了钢筋刚化方法。通过调整钢筋刚度模拟钢筋混凝土受拉刚化效应,推导了刚度调整后的钢筋一维本构关系,并与混凝土弥散裂缝模型结合构成钢筋混凝土分析程序。分别采用钢筋刚化模型和传统的混凝土刚化模型,模拟了McNeice钢筋混凝土板试验,二者的计算结果一致,并均与试验结果高度吻合。结果表明:本模型可以反映受拉刚化效应对结构刚度的贡献,可用于分析钢筋混凝土结构的承载能力。     

基于ANSYS软件的钢筋砼间粘结滑移分析

钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种具有不同物理力学性质的材料组合而成的复合材料,其本构模型比较复杂.钢筋与混凝土两者之间的粘结滑移关系,虽然历经近百年的试验研究,对钢筋混凝土机理的认识水平日益深刻,但在有限元分析中还不是很完善.通过选用合适的材料本构模型和粘结滑移模型,建立有限元分析模型,从而进行全过程的模拟分析.     

双向往复加载下钢筋混凝土柱破坏过程的数值模拟

目的为准确地模拟双向往复加载下钢筋混凝土柱构件的非线性及断裂破坏行为,实现钢筋混凝土框架结构强震作用下的倒塌破坏全过程仿真分析.方法基于通用有限元软件ABAQUS的显式求解模块,研究了钢筋混凝土梁柱构件纤维梁单元的构型及单元消除技术,构建了包含材料破坏准则的钢筋、混凝土单轴本构关系,利用用户材料接口VUMAT编制了相应的计算子程序,并模拟了钢筋混凝土柱构件在单、双向水平往复荷载作用下的非线性性能发展以及断裂破坏过程.结果在加载幅值较小时,计算结果能够准确模拟双向往复加载下钢筋混凝土柱的承载力与刚度变化、滞回捏拢行为以及双向弯曲耦合效应.在水平位移加载幅值分别达到45 mm、90 mm、165 mm时,构件中的保护层混凝土、核心混凝土、钢筋完全破坏,构件断裂.而单向加载构件的水平位移加载幅值达到285 mm时,构件才发生断裂破坏.结论计算结果与试验结果吻合良好.笔者方法能够较为准确地模拟钢筋混凝土柱在双向弯曲荷载作用下的非线性及断裂破坏过程.双向弯曲耦合作用严重降低了钢筋混凝土柱的承载能力及耗能性能.研究成果可用于钢筋混凝土框架结构在强震下的倒塌过程模拟分析.