考虑节点模型的钢筋混凝土框架抗震性能研究

论文摘要

在过去四十年里,国内外学者针对钢筋混凝土框架梁-柱节点展开了大量试验和理论分析,但由于节点核心区受力复杂,多数的研究成果集中在试验和经验公式分析层面。有关梁-柱节点的性能和节点对整体框架的影响正在积极研究当中,但是基于广泛的试验数据在解释影响节点性能的不同因素上仍然存在不足,尤其需要发展一个通用的梁-柱节点模型来描述节点在单调和循环荷载下的反应并预测它的损伤状态。同时基于性能的地震工程分析应该考虑对结构响应有重要影响和贡献的建模细节,考虑梁-柱节点模型即是一个关键的整体建模考虑,即精细化建模需要一个简易、高效的节点单元模型。本文主要对钢筋混凝土框架的梁-柱节点展开数值模拟工作,主要工作内容如下:（1）节点性能和Joint2D单元研究:集中研究了基于OpenSees平台的Joint2D单元,包括节点的内力平衡与传力路径、动力学假设与简化、节点单元方程和广义一维滞回-变形反应材料模型。（2）节点抗剪理论研究:将节点核心区简化为双向配筋的二维非弹性混凝土薄膜单元进行受剪分析,选用了修正斜压场理论（MCFT）、转角软化桁架理论（RA-STM）和固角软化桁架理论（FA-STM）三类有代表性的抗剪理论,且分别进行了剪切块试验的理论验证,同时基于大量试验对三类抗剪理论模型展开综合比较并选择合适的抗剪计算模型。（3）节点组合体试验模拟研究:基于OpenSees平台,对国内外十一个梁-柱节点组合体滞回加载试验进行数值模拟,对Joint2D节点单元进行验证,并综合比较了各类节点模型假设对滞回性能的影响。（4）整体框架地震反应分析研究:选择三条典型地震动对分别考虑节点模型、刚性节点及传统的中心线建模的三、六和十层整体框架结构进行罕遇地震下的弹塑性时程分析,同时统计了二十三条地震动时程分析结果,最后比较了增量动力分析的不同节点建模方式的结构抗震性能的差异。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 基于性能的地震工程的精细化建模
• 1.2.1 基于性能的地震工程结构分析
• 1.2.2 钢筋混凝土框架在动力荷载作用下的反应
• 1.2.3 钢筋混凝土梁柱节点的性能
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 钢筋混凝土梁柱节点有限元模型研究现状
• 1.3.2 钢筋混凝土梁柱节点试验模拟研究现状
• 1.3.3 考虑节点单元的整体结构分析研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 1.4.1 本文的研究思路
• 1.4.2 OpenSees 的Joint2D 节点单元模型
• 1.4.3 钢筋混凝土梁柱节点抗剪计算模型分析
• 1.4.4 钢筋混凝土梁柱节点组合体试验的数值模拟分析
• 1.4.5 考虑节点模型的钢筋混凝土框架地震反应分析
• 第2章 OpenSees 的 Joint2D 节点单元模型
• 2.1 引言
• 2.2 钢筋混凝土梁柱节点受力机理分析
• 2.2.1 介绍与定义
• 2.2.2 节点内力平衡与传力路径
• 2.2.3 节点弹性与弹塑性反应机制
• 2.2.4 节点动力学假设与简化
• 2.3 Joint2D 梁柱节点单元模型描述
• 2.3.1 Joint2D 节点单元的提出
• 2.3.2 Joint2D 节点单元特性与方程
• 2.3.3 Joint2D 在OpenSees 平台上的实现
• 2.3.4 Joint2D 处理多点约束的数值方法
• 2.4 广义一维荷载-变形滞回反应材料模型
• 2.4.1 广义一维Pinching4 材料模型
• 2.4.2 滞回反应中的强度与刚度退化
• 2.4.3 算例说明
• 2.5 本章小结
• 第3章 钢筋混凝土梁柱节点抗剪计算模型分析
• 3.1 引言
• 3.2 修正斜压场理论模型（MCFT）
• 3.2.1 MCFT 理论描述
• 3.2.2 MCFT 理论求解过程
• 3.2.3 MCFT 理论试验验证
• 3.3 转角软化桁架理论模型（RA-STM）
• 3.3.1 RA-STM 理论描述
• 3.3.2 RA-STM 理论求解过程
• 3.3.3 RA-STM 理论试验验证
• 3.4 固角软化桁架理论模型（FA-STM）
• 3.4.1 FA-STM 理论描述
• 3.4.2 FA-STM 理论求解过程
• 3.4.3 FA-STM 理论试验验证
• 3.5 三类抗剪模型综合比较研究
• 3.6 本章小结
• 第4章 钢筋混凝土梁柱节点组合体试验的数值模拟分析
• 4.1 引言
• 4.2 节点试验模拟有限元建模方法
• 4.2.1 定义单元剪切块骨架曲线参数
• 4.2.2 定义滞回加载下Pinching4 材料强度与刚度退化参数
• 4.2.3 节点试验模拟在OpenSees 平台上的实现
• 4.3 系列节点试验数值模拟
• 4.3.1 Park and Ruitong 节点试验
• 4.3.2 傅剑平节点试验
• 4.3.3 Zaid and Shiohara 节点试验
• 4.3.4 Kusuhara and Azukawa 节点试验
• 4.3.5 Shiohara and Kusuhara 节点试验
• 4.3.6 模拟结果与试验结果比较
• 4.4 本章小结
• 第5章 考虑节点模型的钢筋混凝土框架地震反应分析
• 5.1 引言
• 5.2 钢筋混凝土框架结构的设计与有限元建模
• 5.2.1 结构设计
• 5.2.2 结构有限元建模
• 5.2.3 结构自振周期比较
• 5.3 典型地震动下弹塑性时程分析
• 5.3.1 地震动强度参数及地震动的选取
• 5.3.2 楼层位移及层间位移角比较
• 5.3.3 塑性铰分布规律和各层柱底塑性转角比较
• 5.3.4 各层节点损伤分布规律
• 5.3.5 时程分析小结
• 5.4 弹塑性时程分析反应统计
• 5.4.1 地震动强度参数及地震动的选取
• 5.4.2 三层结构时程分析统计
• 5.4.3 六层结构时程分析统计
• 5.4.4 十层结构时程分析统计
• 5.4.5 统计分析小结
• 5.5 增量动力分析
• 5.6 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录A 三层结构弹塑性时程分析响应
• 附录B 十层结构弹塑性时程分析响应
• 致谢