超高层钢筋混凝土结构不同强度等级混凝土梁柱节点的模型实验与有限元分析

本文应用环氧树脂加添加剂的高分子材料模拟不同强度等级的混凝土，用特制的合金材料模拟钢筋，做成带有复杂多层钢筋笼和钢筋箍的梁柱节点模型。在模型内部钢筋和模型表面上粘贴了应变片，进行了模型实验。在考虑复杂钢筋配置的情况下，应用多重多枝子结构方法，在微机上进行了具有十万多个自由度的有限元分析。并将实验与有限元分析结果进行了比较，为梁柱节点的合理设计提供了重要的参考依据。     

梁柱不同混凝土强度的高层框架节点试验和有限元分析

高层框架结构设计时，梁板与柱常常会采用不同的混凝土强度等级，柱的混凝土强度等级往往高于梁板。对于梁柱的节点，一般多采用与柱相同的强度等级，这给施工带来很大麻烦，如果采用与梁板相同强度等级混凝土时。虽然方便了施工，但降低了节点的抗震性能。本文的研究是通过对此类节点采取加强措施，以弥补混凝土强度等级降低的不利影响。通过节点模型试验，研究其受力性能及破坏机理，验证加强措施的有效性。并在试验研究的基础上，用有限元方法对受力复杂的节点进行分析，结果表明节点区混凝土存在应力集中和应力扩散现象以及存在混凝土侧向受拉的现象．证实了梁加腋和增设X型钢筋后节点受力性能得到了改善和加强。这些研究成果对目前高层建筑梁柱节点采用不同混凝土强度等级的设计、施工提供了有益的参考。     

斜向梁柱外伸端板连接节点的恢复力模型研究

为简化实际工程结构中斜向梁柱外伸端板连接节点的分析与设计，利用欧洲规范EC3的组件法提出了斜向梁柱外伸端板连接节点的恢复力模型。首先，采用组件法计算了斜向梁柱外伸端板连接节点的初始转动刚度和屈服承载力，提出了外伸端板连接节点考虑钢梁倾角影响的初始转动刚度计算公式。通过对试验试件骨架曲线的无量纲化拟合了此类节点的三折线骨架曲线模型。通过回归分析确定了斜向梁柱外伸端板连接节点的卸载刚度计算公式。在此基础上，建立了斜向梁柱外伸端板连接节点的三线型恢复力模型。通过与试验及参数有限元分析结果的对比，验证了斜向梁柱外伸端板连接节点恢复力模型的准确性，研究成果可为斜向外伸端板连接节点的工程分析提供参考。     

钢-混凝土混合框架结构多尺度分析及其建模方法

多尺度计算是保证计算精度的同时最大限度降低计算代价的有效途径,在众多学科领域和工程问题中都得到了应用.在结构有限元多尺度分析领域,要解决的一个关键问题是如何实现局部微观模型与宏观结构模型之间的共同工作.为实现精细有限元模型在植入宏观结构模型时不同尺度模型界面的变形协调,提出有限元微观模型与宏观模型的界面连接方法,给出了轴向、横向和转角的约束方程.通过编制用户子程序,使该方法在有限元软件中得以实现,并通过简单的圆柱筒算例,对界面连接的合理性进行了验证.最后基于多尺度建模方法和复杂混合结构节点的精细模型,给出了钢-混凝土混合框架结构多尺度弹塑性时程分析的应用实例,结果表明多尺度计算可较好模拟节点的复杂边界条件.本文建议的界面连接方法可有效实现不同尺度模型界面的变形协调,为工程结构进行多尺度提供了条件.     

基于OpenSees的锈蚀RC结构底部节点性能研究

为了分析节点钢筋粘结性能变化对钢筋混凝土构件性能的影响,本文以框架底部节点为研究对象,对不同锈蚀率的节点性能进行分析.运用OpenSees中的Bond_SP01材料模型并结合零长度截面单元模拟节点钢筋的粘结滑移,不同锈蚀率下的Bond_SP01模型参数通过有限元建模的方法进行修正.对底部节点的数值模拟结果表明:锈蚀严重时,底部节点钢筋粘结滑移对构件性能的影响不容忽视;同时考虑节点钢筋粘结滑移和上部柱体钢筋截面损失两个因素时,钢筋屈服前构件性能主要受节点粘结性能变化影响,钢筋屈服后构件上部纵筋的截面损失对构件性能的影响开始显现,两者对构件整体性能的影响程度相当.所以,在进行锈蚀构件或结构性能分析时,有必要考虑节点性能的影响.     

基于梁-柱连接转动模型变截面门式刚架抗震承载力分析

轻型门式刚架结构变形能力小、延性性能较低,地震对其影响不可忽略。传统计算中梁柱连接通常按刚性节点考虑,但端板连接节点具有明显的半刚性特征,考虑节点转动影响的抗震承载力计算对于结构设计有着重要意义。本文在变截面门式刚架梁-柱端板连接转动关系研究的基础上,将节点域转动模型导入整体结构中,以转动弹簧形式模拟梁柱连接。针对简化模型进行分析,与试验以及全尺寸实体单元有限元模型计算结果比较发现,其在承载力计算上精度较高,误差在10%以内,满足工程应用要求。本文研究将简化变截面门式刚架结构的抗震承载力计算,具有较好的理论与工程意义。     

梁柱简化模型在自立塔塔线体系动态响应中的适用性研究

对输电塔进行合理简化可以提高塔线体系动力学仿真的效率。本文给出自立塔梁柱简化模型的计算方法,并提出利用梁柱简化模型计算方法建立自立塔塔线体系整体模型,同时采用桁梁混合模型建立精细化塔线体系整体模型,对两种模型塔线体系静力特性及振型和固有频率等动力特性进行对比分析。以脱冰工况为例,采用生死单元技术将施加在输电线节点上的集中质量单元杀死来模拟脱冰,实现对塔线体系动力学响应的有限元模拟,研究塔线体系简化模型在动态响应中的适用性。结果表明,两种模型弯曲变形误差小,低阶的振型相同,固有频率值误差小,动力特性基本相同;脱冰工况下,自立塔节点位移和塔材内力时程曲线一致,在提高计算效率的情况下,能有效保证计算精度。     

基于8节点平面单元的RC梁柱节点单元

为了分析RC框架结构的非线性滞回性能,基于平面8节点单元,本文提出了一个新的针对受循环荷载作用钢筋混凝土的梁柱节点单元．单元中梁与节点交界面和柱与节点交界面被划分成“节点截面”和“梁柱截面”,节点核心区的力学性能由8节点单元描述,而梁柱受力钢筋与节点核心区的粘结滑移由存在于“节点截面”和“梁柱截面”之间的8根弹簧控制,梁柱与节点之间的剪切由4根剪切弹簧表示．单元具有4个外节点和8个内节点,每个内节点具有2个自由度,每个外节点具有3个自由度,该3个自由度与普通梁单元一致,从而确保本单元能够同普通一维梁柱单元一起进行钢筋混凝土结构平面非线性分析．通过将内节点上的自由度依附到外节点上,单元在数值表现上具有4个节点和28个自由度．通过对比试验和模拟分析结果,验证了本模型适合于循环荷载作用下平面框架结构的非线性响应分析．     

钢管混凝土柱-钢梁节点的力学性能分析

基于弹塑性有限元理论建立了钢管混凝土柱-钢梁节点荷载-位移全过程非线性有限元模型,在单元分析中采用改进的AUL表述推导得到梁柱单元刚度矩阵方程,同时考虑了材料的物理非线性和单元的几何非线性,并编制了非线性有限元程序NLFEACFST。采用该模型对相关研究者和作者进行的节点试验进行了分析,理论计算结果与试验结果比较表明,该模型具有很好的适用性和精度。在理论分析模型得到试验结果验证的基础上,对典型的中柱节点进行了荷载-位移全过程非线性特性分析,并对影响节点承载力和荷载-位移骨架曲线的因素进行了参数分析,为进一步从理论研究钢管混凝土框架结构的力学性能创造了条件。     

预应力钢框架梁柱节点抗震性能研究

为减少钢框架结构在地震作用下的残余变形和损伤,提出一种新型预应力钢框架梁柱节点。梁柱通过预应力钢绞线进行拼接,当拼接处弯矩超过节点的临界张开弯矩时,梁柱节点张开;卸载后节点在预应力作用下重新闭合,实现自复位功能。采用理论与试验相结合的方法,先研究了预应力钢框架梁柱节点的基本构造和工作机理,推导出梁端剪力、轴力以及弯矩表达式,建立起节点弯矩-转角关系理论分析模型。然后对3个试件进行低周往复加载试验,分析预应力和抗滑移系数对节点抗震性能的影响。试验结果表明,施加预应力能明显提高节点的抗弯能力并减小其残余变形,使试件具有一定的自复位能力;预应力节点耗能系数β_E满足大于0.25的基本要求;基于试验结果,利用ABAQUS软件对试件进行非线性有限元分析,二者吻合较好。     

刚构连续梁桥墩梁固节点结构的光弹性试验及有限元分析

某铁路特大桥的主桥部分采用预应力混凝土刚构连续梁桥,本文采用光弹性模型冻结应力法对该刚构连续梁桥墩梁固节点结构进行了应力分析,给出了结构边界应力分布和主应力迹线。应用ANSYS软件对墩梁固节点实际结构进行了有限元计算。将实验与有限元分析结果进行了比较,结果表明,实验应力分析法与有限元数值法吻合较好。在有限元分析中,对墩梁固节点结构梁端加载边界的影响区进行了研究,通过合理选择梁的长度可以有效减小局部应力。模型实验和有限元计算的结果为结构的优化设计提供了重要的依据。     

局部有限元模型边界条件的直接传递方法

提出一种将整体分析得到的节点力或节点位移直接传递到精细化局部有限元模型的方法,即部分混合单元法。沿精细化局部有限元模型周边建立一组过渡单元,该组过渡单元采用与整体模型一致的单元类型和模拟方式,其外侧边界上的节点与整体模型节点的相对坐标对应,内侧边界与精细化局部有限元模型采用基于面约束的方式连接。在外侧边界上根据节点坐标对应施加整体分析获得的节点力或节点位移,过渡单元就可直接将边界条件传递到精细化局部有限元模型。通过贵州红水河特大桥钢-混结合段的精细化有限元分析,验证了本文方法的实用性和有效性。     

局部有限元模型边界条件的直接传递方法

提出一种将整体分析得到的节点力或节点位移直接传递到精细化局部有限元模型的方法,即部分混合单元法。沿精细化局部有限元模型周边建立一组过渡单元,该组过渡单元采用与整体模型一致的单元类型和模拟方式,其外侧边界上的节点与整体模型节点的相对坐标对应,内侧边界与精细化局部有限元模型采用基于面约束的方式连接。在外侧边界上根据节点坐标对应施加整体分析获得的节点力或节点位移,过渡单元就可直接将边界条件传递到精细化局部有限元模型。通过贵州红水河特大桥钢-混结合段的精细化有限元分析,验证了本文方法的实用性和有效性。     

基于刚度损伤并考虑强度退化的钢筋模型

Clough本构广泛应用于现浇节点的滞回模拟中,针对原始Clough本构中的应力可能会超出材料自身极限强度的问题,提出了一种根据节点刚度损伤来推导钢筋本构的算法。该算法依次建立现浇节点刚度退化与构件中钢筋模量退化间的关系及梁端位移角与钢筋应变的关系,根据以上关系建立钢筋强度退化的表达式,并得到钢筋的本构模型。使用Fortran语言编写自定义纤维单元材料子程序,利用有限元软件ABAQUS进行两个算例验证,得到的模拟滞回曲线具有捏缩现象,形状与试验吻合良好,耗能和延性等方面可与试验接近,在峰值点位移角的预测方面也具备一定的优势,同时,本构在二维和三维模型中均有良好的收敛性,且精度较高,可以应用于实际工程中。     

一种梁柱非线性分析新方法

提出了一种等截面梁柱非线性分析的新方法，即采用按幂函数的变截面法模拟梁柱截面刚度，建立了梁柱非线性分析的简化数学计算模型，并研究了梁柱从弹性到塑性状态时梁柱截面刚度的变化规律，通过与Chen法的比较证明了截面刚度按幂函数模拟的变截面法的正确性。在此基础上进一步应用变截面法讨论了单边塑性情况下偏心受压梁柱随偏心轴力P值的变化规律。此方法为进一步研究非线性梁柱结构提供了一种新的思路。     

框架剪力墙结构的定向爆破倒塌过程

利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,分别采用整体式模型和共用节点分离式模型对某高层框架剪力墙结构的定向爆破拆除进行数值模拟.通过与实际工程的对比发现,分离式模型模拟的效果更贴近实际,模拟结果更准确;此外,待拆除结构的爆破切口适当上移,可以减少结构的倒塌范围;最后,分析了钢筋和混凝土单元的应力时程曲线,指出共用结点...     

基于分离式共结点模型的钢筋混凝土结构爆破拆除数值模拟

通过大型有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,充分考虑钢筋和混凝土在结构倒塌时各自的受力状态和强度差异,运用分离式共节点模型模拟钢筋混凝土结构建筑物的爆破拆除倒塌过程.通过对倒塌过程中钢筋混凝土支撑立柱内侧和外侧的钢筋单元、混凝土单元的承载失效过程分析研究,对数值模拟效果与实际爆破效果对比分析得出:分离式共结点模型...     

几种典型钢框架节点连接性能的有限元仿真分析

采用有限元程序ABAQUS进行仿真分析,探讨了钢框架节点的非线性连接性能。针对几种典型节点,包括焊接连接、外伸式端板螺栓连接、平齐式端板螺栓连接、双腹板顶底角钢连接等,分别建立了相应的精化有限元分析模型,实现了结构非线性行为的真实再现和连接性能的准确评估。数值结果还给出了钢框架节点的弯矩-相对转角、弯矩-剪切转角及弯矩-节点转角三种关系曲线,并针对弯矩-节点转角曲线进行了回归分析,从而得到了四种钢框架节点的弯矩-节点转角关系式。建立的有限元分析模型可真实地模拟钢框架节点的非线性行为,分析得到了半刚性节点弯矩-转角关系的一般规律,可为钢框架梁柱连接节点的计算理论和设计方法提供重要参考和依据。     

HPFRCC梁柱组合件节点核心区力学性能及计算模型研究

为了研究高性能纤维水泥基复合材料(High-PerformanceFiberReinforcedCementitiousComposites,HPFRCC)对框架结构节点核心区力学性能的影响,本文对6个预期损伤部位采用HPFRCC材料的带板梁柱组合件和1个钢筋混凝土(Reinforced Concrete, RC)梁柱组合件进行拟静力试验,分析其节点核心区受剪承载能力、变形能力等．研究结果表明,与RC梁柱组合件节点相比,HPFRCC梁柱组合件节点核心区的受剪承载力提高了11.1%;峰值点的剪切变形减小了10.3%,节点核心区剪切变形对层间变形的贡献比率降低了22.7%．柱端弯矩增大系数的取值和翼缘板的宽度取值对HPFRCC节点核心区的剪切变形有显著影响,柱端弯矩增大系数达到1.6或者翼缘板宽度取值为8倍板厚都可以使节点核心区峰值点对应的剪切变形控制在0.01左右．采用BPE(Bayesian Parameter Estimation)方法进行理论分析,分别建立HPFRCC梁柱节点的剪切强度计算模型和剪切变形计算模型,模型分析结果与试验结果符合较好．     

压弯作用下焊接空心球节点抗弯刚度研究

焊接空心球节点在大跨度空间结构中的应用越来越广泛。为了深入研究压弯作用下焊接空心球节点的抗弯刚度,采用正交设计法设计了6组12个试件,对试件进行压弯试验,绘制节点的弯矩-转角曲线,并计算得到焊接空心球节点的抗弯刚度。运用有限元软件ABAQUS建立压弯作用下焊接空心球节点模型,采用线性强化应力-应变关系,考虑非线性影响,将试验测量和有限元模拟得到的抗弯刚度进行对比分析,验证有限元模型的准确性。再以有限元模型为基础,计算各个参数对焊接空心球节点抗弯刚度的影响,并通过回归分析提出压弯作用下焊接空心球节点抗弯刚度计算公式。结果表明:管径与球径之比对压弯作用下焊接空心球节点抗弯刚度的影响最大,球壁厚的影响次之,偏心距的影响最小;提出的压弯作用下焊接空心球节点抗弯刚度计算公式较为准确。