ABAQUS纤维梁单元材料本构的二次开发及其在桥梁抗震分析中的应用
发布时间：2021-04-02 00:47
对桥梁结构进行弹塑性地震响应分析的关键是选择能准确模拟延性墩柱构件非线性力学行为的非线性梁柱单元。相较于实体单元和集中塑性铰单元,弹塑性纤维梁柱单元兼具计算效率和计算精度,因此在土木工程结构抗震分析中得到了广泛的应用。本文利用通用有限元软件ABAQUS的二次开发功能发展了一种弹塑性纤维梁柱单元并将其应用于桥梁抗震研究。主要研究内容包括:（1）利用ABAQUS提供的UMAT程序接口二次开发了多种可适用于纤维梁柱单元三维弹塑性分析的材料本构模型,包括两种混凝土本构模型（Concrete01、Concrete02）和四种钢筋本构模型（Steel01Steel04）。混凝土本构可用于模拟钢筋混凝土梁柱构件截面的约束及无约束混凝土材料纤维,钢筋本构可用于模拟截面的钢筋材料纤维。（2）通过单一材料梁柱构件的数值试验全面验证了二次开发的钢筋材料本构模型Steel01Steel04的正确性,数值试验考虑了轴向、横向单调加载和循环往复荷载作用等多种荷载工况,各工况下构件的弹塑性响应结果均符合理论预期;通过两个钢筋混凝土柱拟静力试验的数值模拟验证了本文开发的弹塑...
【文章来源】：重庆交通大学重庆市
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
ABAQUS的系统组织示意图
8第二章弹塑性纤维梁柱单元有限元格式及材料本构模型2.1梁单元基本理论弹塑性纤维梁柱单元是在两种基本的梁理论基础上发展的，即欧拉-伯努利(Euler-Bernoulli)梁理论和铁木辛柯（Tiomoshenko）梁理论。欧拉-伯努利梁理论也被称为经典梁理论，它假设任一垂直于梁轴线的横截面在变形后保持为平面且仍与中轴线垂直，即忽略了梁的剪切变形，其厚度方向材料纤维转角θ与中轴线挠度w满足如下关系：=dwdxθ（2.1）与欧拉-伯努利梁不同，铁木辛柯梁理论考虑了梁的剪切变形，它假定任一垂直于梁轴线的截面在变形后保持为平面，但不一定与中轴线垂直，铁木辛柯梁的剪应变可表示为：=dwdxγθ（2.2）对同一段梁，由欧拉-伯努利梁理论和铁木辛柯梁理论得到的梁体变形示意图见图2-1。（a）欧拉伯努利梁（b）铁木辛柯梁图2-1欧拉伯努利梁和铁木辛柯梁示意图由于上述差别，欧拉-伯努利梁主要适用于模拟长细比较大、弯曲变形为主的梁柱构件，而铁木辛柯梁既可用于模拟剪切变形较小的细长梁柱构件，也可用于模拟剪切变形不可忽略的短粗梁柱构件。
13需指出的是，式（2.17）中力形函数[(xN)]f是基于梁柱单元的平衡微分方程建立的，从而保证了单元的截面内力{F(x)}在任何情况下都严格满足平衡方程，即使构件进入强烈非线性阶段。以上介绍了刚度法和柔度法分别建立单元力与变形关系的全过程，两者存在明显区别。此外，刚度法和柔度法确定单元状态也存在区别，如图2-3所示，具体细节参见文献[14]。图2-3刚度法和柔度法单元状态确定比较由上述过程可以看出，柔度法与刚度法有以下特点：（1）柔度法由于导出过程中采用了严格满足平衡条件的形函数，仅需较少的单元即可很好的描述构件的非线性行为；同时，由于未采用位移差值，基于柔度法的铁木辛柯梁单元不会发生剪切锁死问题；（2）刚度法的单元状态很容易确定；但是柔度法的单元状态很难确定，杆端力、位移更新需要进行单元层次的迭代，为消除杆端残余变形需要进行截面层次的迭代，计算量很大（如图2-3所示）；（3）有限元软件基本都是基于刚度法研发的，柔度法想要嵌入这类软件并不容易。2.3本文采用的钢筋混凝土纤维材料本构模型由前两节介绍可知，建立能正确模拟钢筋混凝土梁柱构件的弹塑性纤维梁柱单元需将整个截面进行纤维划分，并按实际情况设置纤维材料为无约束/有约束
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于OpenSees的钢筋混凝土梁粘结滑移数值分析[J]. 祝双,张沛洲,古泉,欧进萍. 工程力学. 2017(S1)
[2]基于OpenSees的钢筋混凝土桥墩抗震数值分析模型[J]. 孙治国,华承俊,靳建楠,王东升. 世界地震工程. 2016(01)
[3]A fiber-section model based Timoshenko beam element using shear-bending interdependent shape function[J]. Li Ning,Li Zhongxian,Xie Lili. Earthquake Engineering and Engineering Vibration. 2013(03)
[4]钢筋混凝土框架结构拟静力倒塌试验研究及数值模拟竞赛Ⅰ:框架试验[J]. 陆新征,叶列平,潘鹏,赵作周,纪晓东,钱稼茹. 建筑结构. 2012(11)
[5]钢筋混凝土框架结构拟静力倒塌试验研究及数值模拟竞赛Ⅱ:关键构件试验[J]. 陆新征,叶列平,潘鹏,唐代远,钱稼茹. 建筑结构. 2012(11)
[6]钢筋混凝土墩柱等效塑性铰长度研究[J]. 孙治国,王东升,郭迅,李晓莉. 中国公路学报. 2011(05)
[7]基于有效累积滞回耗能的钢筋混凝土构件承载力退化模型[J]. 曲哲,叶列平. 工程力学. 2011(06)
[8]基于OpenSees的钢筋混凝土桥墩拟静力试验数值分析[J]. 李贵乾,郑罡,高波. 世界地震工程. 2011(01)
[9]公路桥梁抗震设计细则分析[J]. 杨传永. 安徽建筑工业学院学报(自然科学版). 2009(03)
[10]两种常见的梁柱单元理论对比与实例分析研究[J]. 伍永飞,李铭军. 山西建筑. 2009(07)
博士论文
[1]基于推倒分析法的连续梁桥地震响应简化分析方法研究[D]. 李贞新.西南交通大学 2008
[2]基于有限单元柔度法的钢筋混凝土框架三维非弹性地震反应分析[D]. 陈滔.重庆大学 2003
硕士论文
[1]基于ABAQUS纤维梁元的静力弹塑性分析[D]. 徐小龙.西南交通大学 2012
[2]框剪结构弹塑性反应分析程序二次开发及抗震性能校验[D]. 陈伟贤.重庆大学 2010
[3]考虑剪切效应的梁柱纤维模型分析异形柱的适用范围研究[D]. 王玉芳.重庆大学 2008
本文编号：3114270
【文章来源】：重庆交通大学重庆市
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
ABAQUS的系统组织示意图
8第二章弹塑性纤维梁柱单元有限元格式及材料本构模型2.1梁单元基本理论弹塑性纤维梁柱单元是在两种基本的梁理论基础上发展的，即欧拉-伯努利(Euler-Bernoulli)梁理论和铁木辛柯（Tiomoshenko）梁理论。欧拉-伯努利梁理论也被称为经典梁理论，它假设任一垂直于梁轴线的横截面在变形后保持为平面且仍与中轴线垂直，即忽略了梁的剪切变形，其厚度方向材料纤维转角θ与中轴线挠度w满足如下关系：=dwdxθ（2.1）与欧拉-伯努利梁不同，铁木辛柯梁理论考虑了梁的剪切变形，它假定任一垂直于梁轴线的截面在变形后保持为平面，但不一定与中轴线垂直，铁木辛柯梁的剪应变可表示为：=dwdxγθ（2.2）对同一段梁，由欧拉-伯努利梁理论和铁木辛柯梁理论得到的梁体变形示意图见图2-1。（a）欧拉伯努利梁（b）铁木辛柯梁图2-1欧拉伯努利梁和铁木辛柯梁示意图由于上述差别，欧拉-伯努利梁主要适用于模拟长细比较大、弯曲变形为主的梁柱构件，而铁木辛柯梁既可用于模拟剪切变形较小的细长梁柱构件，也可用于模拟剪切变形不可忽略的短粗梁柱构件。
13需指出的是，式（2.17）中力形函数[(xN)]f是基于梁柱单元的平衡微分方程建立的，从而保证了单元的截面内力{F(x)}在任何情况下都严格满足平衡方程，即使构件进入强烈非线性阶段。以上介绍了刚度法和柔度法分别建立单元力与变形关系的全过程，两者存在明显区别。此外，刚度法和柔度法确定单元状态也存在区别，如图2-3所示，具体细节参见文献[14]。图2-3刚度法和柔度法单元状态确定比较由上述过程可以看出，柔度法与刚度法有以下特点：（1）柔度法由于导出过程中采用了严格满足平衡条件的形函数，仅需较少的单元即可很好的描述构件的非线性行为；同时，由于未采用位移差值，基于柔度法的铁木辛柯梁单元不会发生剪切锁死问题；（2）刚度法的单元状态很容易确定；但是柔度法的单元状态很难确定，杆端力、位移更新需要进行单元层次的迭代，为消除杆端残余变形需要进行截面层次的迭代，计算量很大（如图2-3所示）；（3）有限元软件基本都是基于刚度法研发的，柔度法想要嵌入这类软件并不容易。2.3本文采用的钢筋混凝土纤维材料本构模型由前两节介绍可知，建立能正确模拟钢筋混凝土梁柱构件的弹塑性纤维梁柱单元需将整个截面进行纤维划分，并按实际情况设置纤维材料为无约束/有约束
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于OpenSees的钢筋混凝土梁粘结滑移数值分析[J]. 祝双,张沛洲,古泉,欧进萍. 工程力学. 2017(S1)
[2]基于OpenSees的钢筋混凝土桥墩抗震数值分析模型[J]. 孙治国,华承俊,靳建楠,王东升. 世界地震工程. 2016(01)
[3]A fiber-section model based Timoshenko beam element using shear-bending interdependent shape function[J]. Li Ning,Li Zhongxian,Xie Lili. Earthquake Engineering and Engineering Vibration. 2013(03)
[4]钢筋混凝土框架结构拟静力倒塌试验研究及数值模拟竞赛Ⅰ:框架试验[J]. 陆新征,叶列平,潘鹏,赵作周,纪晓东,钱稼茹. 建筑结构. 2012(11)
[5]钢筋混凝土框架结构拟静力倒塌试验研究及数值模拟竞赛Ⅱ:关键构件试验[J]. 陆新征,叶列平,潘鹏,唐代远,钱稼茹. 建筑结构. 2012(11)
[6]钢筋混凝土墩柱等效塑性铰长度研究[J]. 孙治国,王东升,郭迅,李晓莉. 中国公路学报. 2011(05)
[7]基于有效累积滞回耗能的钢筋混凝土构件承载力退化模型[J]. 曲哲,叶列平. 工程力学. 2011(06)
[8]基于OpenSees的钢筋混凝土桥墩拟静力试验数值分析[J]. 李贵乾,郑罡,高波. 世界地震工程. 2011(01)
[9]公路桥梁抗震设计细则分析[J]. 杨传永. 安徽建筑工业学院学报(自然科学版). 2009(03)
[10]两种常见的梁柱单元理论对比与实例分析研究[J]. 伍永飞,李铭军. 山西建筑. 2009(07)
博士论文
[1]基于推倒分析法的连续梁桥地震响应简化分析方法研究[D]. 李贞新.西南交通大学 2008
[2]基于有限单元柔度法的钢筋混凝土框架三维非弹性地震反应分析[D]. 陈滔.重庆大学 2003
硕士论文
[1]基于ABAQUS纤维梁元的静力弹塑性分析[D]. 徐小龙.西南交通大学 2012
[2]框剪结构弹塑性反应分析程序二次开发及抗震性能校验[D]. 陈伟贤.重庆大学 2010
[3]考虑剪切效应的梁柱纤维模型分析异形柱的适用范围研究[D]. 王玉芳.重庆大学 2008
本文编号：3114270
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