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火灾下基于纤维梁和分层壳模型的结构破坏机制分析

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应用基础与工程科学学报 2011年第2期19卷 260-270页

作者：陈适才任爱珠北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室北京100124 清华大学土木工程系北京100084

为分析混凝土空间框架结构在火灾下的反应规律及其破坏机理,基于已建立的纤维梁单元和混凝土分层壳单元的火灾破坏数值模型,通过在截面层次上来考虑构件截面的不均匀温度场分布及其材料非线性和几何非线性,并引入纤维梁单元截面形心结... 详细信息

为分析混凝土空间框架结构在火灾下的反应规律及其破坏机理,基于已建立的纤维梁单元和混凝土分层壳单元的火灾破坏数值模型,通过在截面层次上来考虑构件截面的不均匀温度场分布及其材料非线性和几何非线性,并引入纤维梁单元截面形心结点与分层板壳单元结点的偏离以及位移协调条件来建立两者的连接模型,从而实现考虑楼板作用的整体结构火灾反应分析模型.最后,运用建立的模型对两个多层框架进行了火灾反应分析,分析了楼板和梁柱的相互作用规律及其破坏机制.结果表明,纤维梁单元模型和分层壳模型能够用于模拟钢筋混凝土结构的受火破坏过程,并且火灾发生的位置不同,结构的破坏机制也不同.

关键词：火灾反应纤维梁分层壳倒塌机制

钢筋混凝土剪力墙新型大变形分层式壳单元模型

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钢筋混凝土剪力墙新型大变形分层式壳单元模型

作者：潘慧哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

高层建筑结构的主要抗侧力构件剪力墙,在大震作用下往往处于复杂的受力状态从而呈现出复杂的变形行为,甚至产生大位移大转动而破坏,理想的壳单元是准确模拟大震作用下剪力墙复杂受力状态的基础,故而构造出能精准模拟剪力墙大位移大转动... 详细信息

高层建筑结构的主要抗侧力构件剪力墙,在大震作用下往往处于复杂的受力状态从而呈现出复杂的变形行为,甚至产生大位移大转动而破坏,理想的壳单元是准确模拟大震作用下剪力墙复杂受力状态的基础,故而构造出能精准模拟剪力墙大位移大转动的壳模型是有必要的。当前已有大量平板壳元方面的研究成果,然而在目前文献中基本没有发现能全面考虑单元协调性、剪切闭锁、膜闭锁以几何非线性等问题的成熟的平板壳元。本文基于“带旋转自由度的广义协调元GQ12”和“厚薄通用板元DKMQ”构造了一个考虑因素较为完善的新型4节点24自由度复合材料分层式壳单元DKMGQ,该壳元对网格畸变不敏感、厚薄通用并且能考虑几何大变形。论文主要研究工作如下:发展了用GQ12膜和DKMQ板组合构造的新型平板壳DKMGQ。基于活动标架给出了壳单元理论中的坐标描述,包括局部坐标、自然坐标以及整体坐标之间的转换;给出了GQ12膜和DKMQ板的完整理论列式,在此基础上合成新型壳单元DKMGQ的总刚度矩阵,并推导了基于活动标架场方式下的等效节点荷载向量的计算公式;最后通过“平面应力”、“弯曲板”以及“壳体结构”3种类型经典算例来验证本文的平板壳的性能,从几个经典算例的计算结果可以看出DKMGQ具有较高精度、对网格畸变不敏感、没有剪切闭锁和膜闭锁、以及收敛性好等优良性能。基于弹性平板壳DKMGQ理论的几何非线性分析。首先描述了壳体在空间大位移大转动之下的广义应力应变关系,并给出几何非线性问题基于位移增量的平衡方程;在此基础上推导了完全拉格朗日TL列式之下DKMGQ壳的具体的格林应变矩阵、平衡方程以及切线刚度矩阵和内力向量,并描述出TL列式的简化牛顿法的求解过程;发展了DKMGQ在大变形问题下的CR列式,分析了大转动的不可加特性,同时给出将空间大转动视为“伪矢量”,用转动矩阵相乘的方式更新转角位移的方法;基于转角更新方法给出了共旋坐标系之下的纯变形的求法,以及内力和切线刚度的理论公式;描述了几何非线性荷载控制的有限元求解方法。最后采用长细悬臂梁受弯、受剪算例,和扭转悬臂梁受剪算例验证DKMGQ壳考虑几何非线性的性能。基于弹性平板壳DKMGQ理论的分层式壳元理论。推导了分层式壳元截面上的广义本构矩阵,从而整合出分层式壳元整体刚度的计算公式;钢筋的拉压本构模型采用理想弹塑性本构,混凝土二维本构采用弥散裂缝模型,基于此推导了混凝土开裂情况下广义本构从材料坐标系转换到局部坐标系之下的转换矩阵;接着基于平截面假定推导出分层壳横截面上每一层应变求解的公式,从而依据本层的材料本构得到应力,进而通过截面上应力的分段积分可求得内力。非线性求解采用荷载控制法,在载荷增量步内进一步采用牛顿方法进行迭代逐步收敛到准确解;最后采用McNeice双向板经典算例来验证构造的分层式壳元DKMGQ在分层处理算法以及非线性求解过程上的可靠性。

关键词：剪力墙分层壳几何非线性 co-rotational 厚薄通用板

基于分层壳单元的RC核心筒结构有限元分析和工程应用

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土木工程学报 2009年第3期42卷 49-54页

作者：林旭川陆新征缪志伟叶列平郁银泉申林清华大学北京100084 中国建筑标准设计研究院北京100044

钢筋混凝土(RC)核心筒是高层建筑中常见的抗侧力结构,其空间受力行为明显,截面形状多样,故准确模拟其非线性受力全过程是结构抗震分析的一个重要课题。分层壳单元根据复合材料原理将壳分成多层,可考虑面内弯曲-面内剪切-面外弯曲之间的... 详细信息

钢筋混凝土(RC)核心筒是高层建筑中常见的抗侧力结构,其空间受力行为明显,截面形状多样,故准确模拟其非线性受力全过程是结构抗震分析的一个重要课题。分层壳单元根据复合材料原理将壳分成多层,可考虑面内弯曲-面内剪切-面外弯曲之间的耦合作用,能够较全面地反映壳体结构的空间力学性能。基于分层壳单元,对一钢筋混凝土核心筒拟静力试验进行了全过程模拟。通过对墙体、连梁等关键部位合理建模,较好地反映了核心筒的空间受力行为,以及筒体开裂、筒体钢筋屈服、连梁屈服和剪切破坏等复杂非线性行为,计算结果和试验结果吻合良好。运用该核心筒模型,对某实际高层框架-核心筒结构进行弹塑性分析,表明了模型的实用性。基于分层壳的核心筒模型可以较好地模拟核心筒的各项力学性能,在筒体结构大震弹塑性分析方面具有一定参考意义。

关键词：核心筒有限元分层壳弹塑性计算抗震分析

MCFT在RC剪力墙非线性分层壳单元中的集成

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MCFT在RC剪力墙非线性分层壳单元中的集成

作者：李智泉大连理工大学

学位级别：硕士

剪力墙是高层建筑结构的主要抗侧力防线,目前针对该构件的数值模拟受制于混凝土材料的多维本构、单元模型选取等关键问题,尚未形成成熟非线性有限元模型。此外,剪力墙模型的工程适用性和建模便宜性等严重影响其发展和推广过程,而且能够... 详细信息

剪力墙是高层建筑结构的主要抗侧力防线,目前针对该构件的数值模拟受制于混凝土材料的多维本构、单元模型选取等关键问题,尚未形成成熟非线性有限元模型。此外,剪力墙模型的工程适用性和建模便宜性等严重影响其发展和推广过程,而且能够在高层和超高层建筑结构中满足全过程高非线性分析的剪力墙模型极少,因此,开展剪力墙非线性有限元模型研究很有必要。首先,开展针对剪力墙非线性有限单元模型发展历史的研究,对常见的剪力墙有限单元模型进行了分类和总结,并阐述了模型发展的内在趋势。基于OpenSEES平台中的壳单元ShellMITC4在C++语言编程平台上进行分层壳单元的建模和调试工作。着重从单元位移模式的建立、单元形函数矩阵的整合、与材料的接口以及单元刚度矩阵等方面,建立分层壳单元的基本框架;加入分层处理相关功能使单元具备自分层、自行计算截面刚度和恢复力的能力。结合OpenSEES进行弹性计算对比,校核分层壳单元的计算精度,最终在有限元分析平台上完成分层壳单元的集成工作。其次,基于修正斜压场理论建立并集成混凝土材料二维本构模型,通过反复调试和模块测试,在有限元分析平台实现与分层壳单元的对接。MCFT是一种以割线模量形成弹性矩阵,基于全量加载和整体式有限元模型原理而建立的变角度弥散裂缝模型。其混凝土材料本构修正和变角度裂缝处理可以借鉴并应用到非线性分层壳模型当中,但限于割线刚度迭代法在结构非线性分析中计算速度较慢等问题,采用切线模量形式进行了改进。此外,对混凝土材料本构受拉段进行平滑处理,实现刚度的平稳过渡,在保证真实反映结构进入软化段后负刚度现象的同时提高数值计算的稳定性。最终在采用集成剪力墙单元和材料模型进行的算例分析和对比中,发现非线性分层壳模型在模拟剪力墙构件受力时与试验结果对比数据良好,充分肯定了本文所建模型的计算能力和计算精度。平滑受拉段的处理方法有利于实现单元刚度的平稳过渡,可以提高剪力墙模型在弹塑性时程分析中的数值稳定性;此外,对混凝土材料弹性矩阵中剪切模量计算方法进行了改进,修正了剪切模量的除零问题。

关键词：剪力墙分层壳修正斜压场集成收敛稳定性

基于分层壳模型的空心墙板结构有限元分析方法研究

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基于分层壳模型的空心墙板结构有限元分析方法研究

作者：罗雯湖南科技大学

学位级别：硕士

现浇混凝土空心楼板与配筋砌块砌体剪力墙有着相类似的材料组成特点，即各自内部均存在不连续的孔洞。所不同的是，配筋砌块砌体剪力墙的空洞内需灌注混凝土，而楼盖则为空心孔。目前，已有文献中常采用精细建模或等代梁进行模拟，效果... 详细信息

现浇混凝土空心楼板与配筋砌块砌体剪力墙有着相类似的材料组成特点，即各自内部均存在不连续的孔洞。所不同的是，配筋砌块砌体剪力墙的空洞内需灌注混凝土，而楼盖则为空心孔。目前，已有文献中常采用精细建模或等代梁进行模拟，效果都不很理想。为此，本文基于分层壳的分层特点，通过设置连续“空心层”或灌芯层模拟非连续的孔洞或灌芯混凝土，同时通过调整层在厚度方向的位置，保证板或墙在平面内外抗弯刚度相等，进而实现对混凝土空心楼板和配筋砌块砌体剪力墙平面外受力的准确模拟，取得以下研究成果：（1）通过对不同孔洞率空心楼板X向刚度与Y向刚度折减系数的计算，确定了平行于布管方向截面的刚度要略小于垂直于布管方向截面的刚度。在孔洞率在0.3时两向刚度的比值接近于1，可以将其视为各向同性板来简化计算。（2）考虑到现浇混凝土空心楼板的空心特点，本文提出了适用于现浇混凝土空心楼板“空心层”和配筋砌块砌体剪力墙灌芯层的分层壳模型，具体设置如下： ①通过设置沿中性轴对称的2条连续“空心层”条带，即其弹性模量设置为一个很小值;②在保证现浇混凝土空心楼板空心率相等的前提下，通过调整“空心层”条带间的距离，使得分层壳单元在计算方向上的平面外刚度与实际空心楼板相等。 ③考虑到现浇混凝土空心楼板各向同性“空心层”的受力特点，“空心层”可按各向同性材料设置。除采用不同的材料属性模拟灌芯层外，对配筋砌块砌体剪力墙灌芯层的设置与“空心层”基本一致。（3）运用Marc有限元分析程序，先后对文献[48]中5块现浇混凝土空心楼板和文献[70，71]中3片配筋砌块砌体剪力墙的试验全过程进行了模拟。通过对比板或墙塑性区的位置及开展程度、荷载-位移曲线、钢筋屈服等复杂非线性力学行为，计算结果和试验结果吻合良好，表明了模型的实用性，可用于工程设计和分析。

关键词：空心楼板配筋砌块砌体剪力墙分层壳有限元分析

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MCFT在剪力墙非线性分层壳模型中的集成

MCFT在剪力墙非线性分层壳模型中的集成

第25届全国结构工程学术会议

作者：李智泉孙丞江何政大连理工大学土木工程学院河南省建筑设计研究院有限公司

为了实现非线性分层壳模型对剪力墙复杂力学行为的正确模拟,本文基于Vecchio等人提出的修正斜压场模型建立并集成了适用于分层壳单元的混凝土二维膜材料。为保证二维膜材料与分层壳单元在有限元分析平台的对接,采用切线模量和修正的剪... 详细信息

为了实现非线性分层壳模型对剪力墙复杂力学行为的正确模拟,本文基于Vecchio等人提出的修正斜压场模型建立并集成了适用于分层壳单元的混凝土二维膜材料。为保证二维膜材料与分层壳单元在有限元分析平台的对接,采用切线模量和修正的剪切模型对修正斜压场模型进行了改进,同时为了保证数值计算的稳定性,对开裂混凝土受拉突变段进行了平滑处理。将集成的分层壳模型应用于剪力墙构件的分析中,数值模拟结果与试验结果吻合良好,表明该模型可以应用于实际混凝土剪力墙的非线性计算分析。

关键词：剪力墙修正斜压场模型分层壳 ShellMITC4壳单元集成

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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事故内压下预应力混凝土安全壳可靠性分析

工程力学 2023年第8期40卷 202-212页

作者：梁艳苹冯德成任晓丹同济大学土木工程学院上海200092 东南大学土木工程学院南京211189

对预应力混凝土安全壳进行了事故内压下的可靠性分析。研究以Monte Carlo有限元模拟为基础,一方面,根据概率守恒原理,以有限的随机结果表征实际响应的概率分布;另一方面,有限元分析结合分层壳单元、混凝土损伤软化本构及割线刚度算法模... 详细信息

对预应力混凝土安全壳进行了事故内压下的可靠性分析。研究以Monte Carlo有限元模拟为基础,一方面,根据概率守恒原理,以有限的随机结果表征实际响应的概率分布;另一方面,有限元分析结合分层壳单元、混凝土损伤软化本构及割线刚度算法模拟安全壳的非线性行为,在保证模拟精度的基础上提高计算效率。以桑迪亚国家实验室的安全壳试验为案例,对可靠性分析进行说明。计算位移值与试验值的比较说明,有限元计算模型和参数基本合理。考虑材料参数随机性,通过200次有限元模拟得到结构响应的概率分布;以整体应变为失效指标,得到内压下的失效概率曲线。分析表明:在实际功能性失效和结构性失效内压下,模拟所得失效概率分别达到了72.03%和68.78%,与试验结果具有一致性。

关键词：预应力混凝土安全壳可靠性 Monte Carlo有限元模拟概率守恒分层壳损伤本构割线刚度算法

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预应力加固砌体结构有限元模拟研究

工程抗震与加固改造 2020年第2期42卷 127-133,161页

作者：徐秀凤孔子昂孙伟杜秀丽王璐青岛黄海学院建筑工程学院山东青岛266427 青岛杰地建筑设计有限公司山东青岛266071

由于整体式建模方法不能模拟砌块和砂浆之间的摩擦作用,导致模拟得到的滞回曲线在耗能上与试验结果相差较大。为解决这一问题,采用MSC.Marc有限元软件对某预应力加固二层砌体结构进行整体式建模时,在砌体结构的分层壳单元中增加一层强... 详细信息

由于整体式建模方法不能模拟砌块和砂浆之间的摩擦作用,导致模拟得到的滞回曲线在耗能上与试验结果相差较大。为解决这一问题,采用MSC.Marc有限元软件对某预应力加固二层砌体结构进行整体式建模时,在砌体结构的分层壳单元中增加一层强度极低的类似软钢的材料,结果表明,增加的软钢材料可以在几乎不提高结构承载力的前提下增加耗能能力,使模拟得到的滞回曲线与试验结果吻合良好。在此基础上,对结构进行改变预应力值的参数分析,结果表明,预应力筋对墙体施加0.13MPa的压应力时可将结构的整体抗震承载力提高6%,且结构的抗震性能随着预应力值的提高而增加。

关键词：滞回耗能砌体结构预应力分层壳软钢材料

基于OpenSees的高层建筑弹塑性分析平台开发及技术研究

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结构工程师 2019年第1期35卷 76-82页

作者：尤涛季静韩小雷华南理工大学高层建筑结构研究所广东广州510640 华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室广东广州510640

针对OpenSees建模困难,无可视化界面,难以用于大尺度结构整体分析的问题,使用.NET框架开发了面向高层建筑结构进行弹塑性分析的前后处理平台,能够快速建模,并具有完善的可视化后处理。嵌入了非线性分层壳单元以模拟高层建筑中的剪力墙单... 详细信息

针对OpenSees建模困难,无可视化界面,难以用于大尺度结构整体分析的问题,使用.NET框架开发了面向高层建筑结构进行弹塑性分析的前后处理平台,能够快速建模,并具有完善的可视化后处理。嵌入了非线性分层壳单元以模拟高层建筑中的剪力墙单元,并通过一12层框架-剪力墙算例验证了该平台下OpenSees对带剪力墙高层结构进行整体弹塑性分析的可靠性和可行性。对三个采用不同分层壳单元划分方案的模型进行分析对比,结果表明壳单元尺寸取为500 mm时能够同时保证精度和计算效率。

关键词：高层建筑结构弹塑性分析分层壳剪力墙