节点区非弹性变形的有限元模拟及规律分析

发布时间：2017-07-04 13:16

  本文关键词：节点区非弹性变形的有限元模拟及规律分析

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【摘要】：大量钢筋混凝土梁柱组合体试验表明节点核心区剪切变形和贯穿节点梁纵筋滑移是不能忽略的,这两种节点非弹性变形引起的梁端变形最为甚者能达到总变形的一半。梁柱节点在地震作用下受力复杂,其性能受到较多因素影响,是性能化设计中的一个关键部位。较大的节点非弹性变形会造成组合体试件荷载-位移曲线较为严重的捏缩效应,降低耗能能力。本文首先选取部分具备完整试验数据的梁柱组合体试件作为分析对象,在ABAQUS中建立相应的有限元模型。采用EMBEDED功能将钢筋与混凝土完全约束而不考虑两者之间的粘结滑移。对不考虑梁筋粘结滑移时,单调加载和反复加载下有限元模型的非线性反应进行模拟。分析结果表明,单调加载下得到的梁端荷载-位移曲线承载能力误差小,但加载刚度仍然偏大。反复加载下得到的荷载-位移曲线饱满,基本没有捏缩效应,与试验结果相比误差较大。在前述有限元模型中,采用SPRING单元考虑钢筋和混凝土之间粘结滑移的影响。重点分析了单调加载下粘结滑移本构的确定方法,根据试验结果对粘结滑移本构模型进行了改进。分析结果表明,采用SPRING单元后,组合体试件的荷载-位移曲线加载刚度误差较小,而承载能力基本没有影响,并分析了采用此方法进行反复加载得到的荷载-位移曲线效果及其原因,发现在ABAQUS中SPRING单元通常只适用于单调加载,反复加载下的粘结滑移模拟需要使用其他方法来实现。采用ABAQUS模拟梁柱组合体单调加载和反复加载,将得到的节点核心区坐标数列经过转换并与试验实测的相应数据进行对比,验证了模拟结果的合理性。在此基础上,采用单调加载模拟结果,结合数学原理对现有的节点剪切变形计算模型进行评估,结果发现其所存在的平行四边形假定合理、对角线不转动假定误差较大,对角线转动角度和剪切角相比是不容忽视的。并将其进一步扩展至反复加载模拟结果,也得到了相同的结论。对比结果也表明,依据有限元分析的节点坐标数据直接测量得到的量测剪切角与采用现有两种节点剪切变形计算方法得到的计算剪切角存在较大差别,但总剪切角相当。本课题组硕士莫林辉在2013年提出了中间层中节点纵筋应力-滑移本构模型,但其对数据的选取较简化,对试验参数的筛选也较为简略,得出的定参计算公式相互嵌套,较为复杂。在此基础上,本文继续补充搜集数据,扩大样本容量,经过计算得到了梁端纵筋应力和纵筋滑移量的对应关系。采用SPSS统计软件进行统计回归和优化,得到了本构模型中各个特征点的改进定参方法。选取部分梁柱节点试验,采用改进定参公式计算本构模型并分析梁纵筋粘结滑移对梁柱组合体受力性能的影响,将其与试验实测结果以及莫林辉模拟结果进行对比,验证了改进定参公式的合理性和简洁性。本文的主要创新点为:1对SPRING单元的粘结滑移本构进行了修正,建立了在单调加载下梁柱节点更适用的粘结滑移本构。2基于ABAQUS模拟结果,发现现有节点剪切变形计算模型的对角线不转动假定存在较大误差,梁端和柱端剪切角的计算误差也较大。3针对已有的纵筋应力-滑移本构模型骨架线的计算方法进行了优化,得到了该本构模型各个特征点的改进定参计算公式。
【关键词】：钢筋混凝土 梁柱节点 纵筋粘结滑移 节点剪切变形
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU375
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-15
• 主要符号15-16
• 1 绪论16-20
• 1.1 引言16
• 1.2 梁柱节点非弹性变形研究现状16-18
• 1.2.1 试验研究16-17
• 1.2.2 数值模拟17-18
• 1.3 本文研究目的及内容18-20
• 1.3.1 本文研究目的18-19
• 1.3.2 本文研究内容19-20
• 2 基于ABAQUS的RC框架中间层中节点有限元模拟20-38
• 2.1 钢筋混凝土有限元分析及软件简介20
• 2.1.1 钢筋混凝土非线性分析的特点和现状20
• 2.1.2 ABAQUS简介20
• 2.2 ABAQUS中材料本构模型的选择20-24
• 2.2.1 ABAQUS中混凝土本构模型的选择20-23
• 2.2.2 ABAQUS中钢筋本构模型的选择23-24
• 2.3 模拟试件的试验数据24-26
• 2.3.1 试件尺寸、配筋及材料强度24-25
• 2.3.2 边界条件和加载制度25
• 2.3.3 试验结果25-26
• 2.4 试件有限元模型的建立26-33
• 2.4.1 材料参数的选取26-30
• 2.4.2 单元类型的选取30-31
• 2.4.3 有限元模型的网格划分31
• 2.4.4 边界条件和加载制度模拟31-33
• 2.4.5 计算方法的选择33
• 2.5 单调加载模拟结果分析33-35
• 2.5.1 单调加载下混凝土和钢筋应力33
• 2.5.2 单调加载下荷载-位移曲线33-35
• 2.6 反复加载模拟结果分析35-37
• 2.6.1 反复加载下梁柱组合体变形35-36
• 2.6.2 反复加载下荷载-位移曲线36-37
• 2.7 本章小节37-38
• 3 单调加载下考虑节点内梁纵筋粘结滑移的模拟38-60
• 3.1 粘结滑移模拟方法38-40
• 3.2 粘结滑移本构模型40-48
• 3.2.1 Eligehausen粘结滑移本构关系41-43
• 3.2.2 滕智明粘结滑移本构关系43-44
• 3.2.3 孙铭粘结滑移本构关系44-46
• 3.2.4《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)粘结滑移本构关系46-48
• 3.3 模拟结果对比分析48-51
• 3.3.1 单调加载下混凝土和钢筋应力48-49
• 3.3.2 单调加载下荷载-位移曲线49-51
• 3.4 粘结滑移本构模型的修正51-55
• 3.4.1 峰值粘结应力的修正52-53
• 3.4.2 峰值滑移量的修正53-54
• 3.4.3 修正后的粘结滑移本构关系54-55
• 3.5 使用修正粘结滑移本构模型的计算结果55-56
• 3.6 反复加载下的荷载-位移曲线56-58
• 3.7 本章小节58-60
• 4 中间层中节点剪切变形计算方法分析60-84
• 4.1 节点剪切变形的计算方法60-64
• 4.1.1 节点核心区剪切变形的测量方案60-61
• 4.1.2 节点核心区剪切变形的计算方案61-64
• 4.2 剪切计算模型的分析64-74
• 4.2.1 基于ABAQUS模拟结果计算节点剪切变形的方法64-66
• 4.2.2 用于剪切变形的计算数据合理性判定66-69
• 4.2.3 平行四边形假定的分析69-71
• 4.2.4 对角线不转动假定的分析71-74
• 4.3 节点核心区剪切角的计算74-80
• 4.3.1 ABAQUS模拟的量测剪切角74-76
• 4.3.2 ABAQUS模拟的计算剪切角76-80
• 4.4 节点核心区剪切变形方法讨论80-81
• 4.4.1 节点核心区剪切角计算讨论80-81
• 4.4.2 节点核心区剪切变形测量讨论81
• 4.5 本章小节81-84
• 5 中间层中节点纵筋应力-滑移本构模型定参优化84-110
• 5.1 试验数据来源及测量计算方案84-88
• 5.1.1 节点试验数据来源84
• 5.1.2 节点试验中梁纵筋滑移测量方案84-87
• 5.1.3 梁纵筋滑移引起梁端挠度计算方案87-88
• 5.2 纵筋应力-滑移本构模型88-96
• 5.2.1 纵筋应力-滑移计算方法简介88-89
• 5.2.2 纵筋应力-滑移本构模型简述89-91
• 5.2.3 纵筋应力-滑移本构模型各特征点再定参91-96
• 5.3 纵筋应力-滑移本构模型验证96-108
• 5.3.1 节点试验模拟计算有限元模型96
• 5.3.2 选择用于模拟验证的节点试验96-98
• 5.3.3 模型参数以及加载方法98-100
• 5.3.4 改进模拟结果及与试验结果、莫林辉模拟结果对比100-108
• 5.4 本章小节108-110
• 6 主要结论与展望110-114
• 6.1 主要研究内容和结论110-111
• 6.2 本文创新点111
• 6.3 展望111-114
• 致谢114-116
• 参考文献116-120
• 附录120-130
• A.ABAQUS中LX-3 SPRING2定义inp文件120
• B.ZSJ-3 循环加载对应数值120-121
• C.剪切变形计算模型部分评估模拟计算结果121-123
• D.纵筋应力-滑移参数定参Matlab程序123-124
• E.部分试件纵筋应力-滑移骨架线改进模拟、实测及莫林辉模拟结果对比124-125
• F.部分节点内纵筋滑移量改进模拟结果、实测及莫林辉模拟结果对比125-128
• G.部分节点试验梁端剪力-梁端挠度改进模拟结果、实测及莫林辉模拟结果对比128-130

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