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采用纤维梁单元分析钢-混凝土组合结构地震反应的应用

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建筑结构学报 2011年第10期32卷 11-20页

作者：聂建国陶慕轩清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室北京100084

将用于钢-混凝土组合结构地震反应分析的纤维梁单元应用于各种类型构件的非线性分析中,包括普通钢筋混凝土构件(钢筋混凝土梁、钢筋混凝土柱和钢筋混凝土受弯剪力墙)、钢-混凝土组合梁构件(承受正、负弯矩的简支组合梁、连续组合梁和往... 详细信息

将用于钢-混凝土组合结构地震反应分析的纤维梁单元应用于各种类型构件的非线性分析中,包括普通钢筋混凝土构件(钢筋混凝土梁、钢筋混凝土柱和钢筋混凝土受弯剪力墙)、钢-混凝土组合梁构件(承受正、负弯矩的简支组合梁、连续组合梁和往复荷载作用下的组合梁)以及钢管混凝土构件(圆形、方形以及矩形轴心受压短柱构件、纯弯构件、压弯构件和往复荷载作用下的压弯构件),数值模拟结果和试验结果均吻合良好,证明了该模型具有良好的精度以及广泛的适用性。通过对关键截面关键纤维的应力-应变发展过程进行分析,对这些构件的内在受力机理和破坏规律进行了深入的讨论。经过验证可知,开发的纤维梁单元不仅能充分兼顾准确性、通用性以及高效性,同时还具备求解速度快、数值稳定性好以及前后处理强大方便的特点,为组合结构体系的地震反应分析提供了可靠的手段。

关键词：组合结构钢筋混凝土钢-混凝土组合梁钢管混凝土地震反应分析试验验证纤维梁单元

考虑楼板空间组合作用的组合框架体系设计方法(Ⅰ)——极限承载能力

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土木工程学报 2012年第11期45卷 39-50页

作者：陶慕轩聂建国清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室北京100084

楼板的空间组合作用对组合框架结构体系的抗侧力行为具有重要影响。极限承载能力和刚度是设计中最为关心的两项基本性能,该文重点研究楼板空间组合作用对极限承载能力的影响。首先建立边节点弹塑性精细有限元局部模型,研究极限状态下影... 详细信息

楼板的空间组合作用对组合框架结构体系的抗侧力行为具有重要影响。极限承载能力和刚度是设计中最为关心的两项基本性能,该文重点研究楼板空间组合作用对极限承载能力的影响。首先建立边节点弹塑性精细有限元局部模型,研究极限状态下影响梁端楼板贡献的关键因素。在此基础上,通过大量数值计算和参数分析,提出用于计算组合框架梁端极限正负弯矩的楼板有效宽度简化计算公式,并和精细有限元计算结果进行充分对比,具有良好的精度。该文提出的简化公式对于边节点和中节点均适用。最后,采用该文建议的有效宽度计算公式计算梁端极限弯矩,并和精细有限元计算结果进行对比,计算精度较高。

关键词：组合框架楼板空间组合作用设计方法极限承载能力

考虑楼板空间组合效应的组合框架体系纤维模型

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建筑结构学报 2013年第11期34卷 1-9页

作者：陶慕轩聂建国清华大学土木工程系北京100084 清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室北京100084

将正常使用极限状态和承载能力极限状态有效宽度公式与传统纤维模型相结合,通过修正楼板钢筋和混凝土材料的单轴本构关系,实现了一种改进的考虑楼板空间组合效应的纤维模型,利用该模型可以在组合框架体系非线性分析中采用高效的全杆系... 详细信息

将正常使用极限状态和承载能力极限状态有效宽度公式与传统纤维模型相结合,通过修正楼板钢筋和混凝土材料的单轴本构关系,实现了一种改进的考虑楼板空间组合效应的纤维模型,利用该模型可以在组合框架体系非线性分析中采用高效的全杆系单元合理地考虑复杂楼板空间组合效应的影响。基于考虑楼板空间组合效应的纤维模型,开发了一套较为完整的组合结构非线性有限元分析程序COMPONA-MARC(Version 1.0)。最后,将开发程序应用于多个组合框架抗震试验的模拟,结果表明了本文模型可较为准确地模拟组合框架弹塑性全过程的楼板空间组合效应。

关键词：组合框架楼板空间组合效应子程序包试验验证纤维模型

采用纤维梁单元分析钢-混凝土组合结构地震反应的原理

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建筑结构学报 2011年第10期32卷 1-10页

作者：聂建国陶慕轩清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室北京100084

通过大型通用有限元程序***(2005r2)二次开发将纤维截面模型和基于位移的无滑移分布塑性铰梁单元相结合,得到了一种用于钢-混凝土组合结构地震反应分析的纤维梁单元。该单元在兼顾模型的准确性、通用性以及高效性的同时,具有较优的求解... 详细信息

通过大型通用有限元程序***(2005r2)二次开发将纤维截面模型和基于位移的无滑移分布塑性铰梁单元相结合,得到了一种用于钢-混凝土组合结构地震反应分析的纤维梁单元。该单元在兼顾模型的准确性、通用性以及高效性的同时,具有较优的求解效率、数值稳定性以及前后处理速度。根据工程中常用组合截面的特点提出了组合截面的定义方式及其纤维离散过程,并给出了截面本构关系的求解流程。分析了混凝土、钢材以及钢筋三种材料的单轴本构关系,混凝土材料模型能反映普通、高强以及约束混凝土的不同力学特性,并在已有的考虑单次加卸载强度退化模型的基础上发展了能够考虑多次加卸载强度退化行为的混凝土滞回准则,从而使模型更符合地震作用下组合构件中混凝土材料的实际复杂非线性行为,钢材和钢筋模型能较合理地考虑往复荷载作用下的包兴格效应。

关键词：组合结构地震反应分析纤维截面模型分布塑性铰梁单元单轴本构关系强度退化

考虑楼板空间组合作用的组合框架体系设计方法(Ⅱ)——刚度及验证

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土木工程学报 2013年第2期46卷 42-53页

作者：陶慕轩聂建国清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室北京100084

在前文研究的基础上,研究楼板空间组合作用对组合框架结构抗侧刚度及内力分布的影响。采用梁-壳混合模型对影响组合框架梁等效刚度的关键因素进行分析,并在此基础上通过大量数值计算和参数分析,提出组合框架梁刚度放大系数简化计算公式... 详细信息

在前文研究的基础上,研究楼板空间组合作用对组合框架结构抗侧刚度及内力分布的影响。采用梁-壳混合模型对影响组合框架梁等效刚度的关键因素进行分析,并在此基础上通过大量数值计算和参数分析,提出组合框架梁刚度放大系数简化计算公式。随后采用不同参数的规则和非规则组合框架体系模型充分验证该文建议公式的合理性。结果表明,采用建议的考虑楼板空间组合作用的组合梁框架全杆系模型能较准确地预测结构的自振周期、地震层剪力、侧移、层间位移、组合梁内力等,而忽略楼板空间组合作用会高估结构自振周期、低估结构地震剪力、高估结构侧移和层间位移、低估组合梁内力等。最后选取5个国内外已报道的钢-混凝土组合框架结构抗震性能试验结果对前文和该文提出的设计方法进行验证,结果表明本研究建议的相关设计公式可在组合框架结构体系的设计中合理地考虑楼板空间组合作用对结构抗侧性能的影响。

关键词：组合框架楼板空间组合作用刚度试验验证设计方法

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预应力钢-混凝土连续组合梁的变形分析

土木工程学报 2007年第12期40卷 38-45页

作者：聂建国陶慕轩清华大学结构工程与振动教育部重点实验室北京100084

对预应力钢-混凝土连续组合梁在正常使用极限状态下的变形计算进行分析。分析考虑钢与混凝土之间的滑移效应,建立简化计算模型,并在此基础上,提出混凝土支座开裂区长度以及预应力筋内力增量的计算公式,给出两跨预应力连续组合梁跨中挠... 详细信息

对预应力钢-混凝土连续组合梁在正常使用极限状态下的变形计算进行分析。分析考虑钢与混凝土之间的滑移效应,建立简化计算模型,并在此基础上,提出混凝土支座开裂区长度以及预应力筋内力增量的计算公式,给出两跨预应力连续组合梁跨中挠度的计算图表。分析结果表明,两跨预应力连续组合梁变形计算公式计算正常使用极限状态预应力筋的内力值精度较高,不考虑预应力筋内力增量的变形计算值较试验值偏大,考虑预应力筋内力增量的变形计算值精度有明显提高,与试验结果吻合较好,可供工程设计参考。最后在两跨预应力连续组合梁变形计算公式的基础上提出预应力连续组合梁变形计算的通用方法。

关键词：预应力钢-混凝土连续组合梁变形挠度混凝土开裂区预应力筋内力增量

面向体系非线性分析的钢管混凝土柱-组合梁节点多尺度高效数值模型

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土木工程学报 2014年第9期47卷 57-69页

作者：陶慕轩聂建国清华大学土木工程系北京100084 清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室北京100084

基于组合结构非线性分析软件COMPONA-MARC V1.2,提出面向体系非线性分析的钢管混凝土柱-组合梁节点多尺度高效数值模型,该模型能准确反映梁端、柱端以及节点域的耗能特征。首先建立模型的总体框架,采用较为简洁的多尺度连接方案,并从节... 详细信息

基于组合结构非线性分析软件COMPONA-MARC V1.2,提出面向体系非线性分析的钢管混凝土柱-组合梁节点多尺度高效数值模型,该模型能准确反映梁端、柱端以及节点域的耗能特征。首先建立模型的总体框架,采用较为简洁的多尺度连接方案,并从节点传力机理的角度证明其合理性。其次,在单向地震作用下楼板空间组合效应模型的基础上,通过对极限正弯矩有效宽度进行折减,提出双向地震作用下考虑楼板空间组合效应的组合梁纤维模型。随后,选取基于裂缝带模型的组合节点域混凝土单轴受拉软化模量计算公式,重点讨论平均裂缝间距这一关键参数的取值方法,给出与开裂应变相关的剪力传递系数计算方法的建议。最后采用本模型对一系列平面和空间组合节点的抗震性能试验进行模拟,充分证明本模型的准确性与合理性。

关键词：多尺度模型双向地震楼板空间组合效应组合节点域受拉软化模量平均裂缝间距剪力传递系数

圆形截面柱组合框架中非对称钢梁截面框架梁梁端极限状态有效翼缘宽度研究

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工程力学 2023年第8期40卷 59-67,256页

作者：彭炜杰陶慕轩清华大学土木工程系土木工程安全与耐久教育部重点实验室北京100084 清华大学北京市钢与混凝土组合结构工程技术研究中心北京100084

楼板有效翼缘宽度是组合框架梁梁端极限承载力验算的关键参数之一,已有的有效翼缘宽度计算公式存在荷载模式不匹配、等效准则不匹配、无法考虑钢梁截面的非对称性等不足。为此,该文重点讨论了侧向荷载作用下采用圆形截面柱的组合框架中... 详细信息

楼板有效翼缘宽度是组合框架梁梁端极限承载力验算的关键参数之一,已有的有效翼缘宽度计算公式存在荷载模式不匹配、等效准则不匹配、无法考虑钢梁截面的非对称性等不足。为此,该文重点讨论了侧向荷载作用下采用圆形截面柱的组合框架中非对称钢梁截面框架梁端的承载力极限状态有效翼缘宽度的计算方法。在有限元软件***(2018)中建立精细化数值模型,通过单变量分析筛选出对有效翼缘宽度有显著影响的关键变量。在合理的取值范围内对这些关键变量进行充分的排列组合,得到一系列的数值算例结果。对这些数值结果进行回归分析,基于前人得出的对称钢梁截面情况的计算公式,保留其基本框架而修改其中相关参数,得出侧向荷载作用下非对称钢梁截面组合框架梁有效翼缘宽度的计算方法。

关键词：钢-混凝土组合结构框架梁非对称钢梁截面极限抗弯承载力有效翼缘宽度

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组合节点变形机制和破坏形态的定量评价

土木工程学报 2016年第8期49卷 61-68页

作者：陶慕轩聂建国清华大学北京市钢与混凝土组合结构工程技术研究中心北京100084 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室辽宁大连116024

节点的变形机制和破坏形态分析是其抗震性能评估的重要内容,但目前缺乏有效的定量评价方法。该文基于多尺度数值模型,对组合节点变形机制和破坏形态的定量评价方法开展研究。提出采用"变形分量比例图"分析组合节点的变形机制,该图可根... 详细信息

节点的变形机制和破坏形态分析是其抗震性能评估的重要内容,但目前缺乏有效的定量评价方法。该文基于多尺度数值模型,对组合节点变形机制和破坏形态的定量评价方法开展研究。提出采用"变形分量比例图"分析组合节点的变形机制,该图可根据多尺度模型的位移结果直接计算得到。"变形分量比例图"反映了梁弯曲、柱弯曲、和节点域剪切三种主要变形分量随层间位移角以及层间位移方向角的变化规律,可直观地揭示组合节点在任意层间位移方向上的破坏形态。层间位移方向角对空间组合节点的变形机制和破坏形态影响显著,必须利用"变形分量比例图"全面验算组合节点在任意可能层间位移方向上的破坏形态,并进一步优化设计确保任意可能地震入射方向上的预期破坏机制。

关键词：变形机制破坏形态组合节点定量评价层间位移角层间位移方向角变形分量比例图