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

论文摘要

本文研究内容是国家自然科学基金项目“异形柱结构空间非线性动力反应分析方法和整体抗震性能研究”（项目编号50478067）的一个组成部分。《混凝土异形柱结构技术规程》JGJ149-2006明确规定异形柱应采用空间分析模型。异形柱截面的弯心、剪切中心和形心不重合,内力分析时双向弯曲耦合、轴向变形与弯曲变形耦合,常处于压、弯、剪、扭的复杂受力状态,因此其内力分析必须建立一个能够综合考虑空间效应的压、弯、剪、扭的杆元模型才能得到正确的计算结果。目前适用于矩形柱的一般空间杆元分析模型无法解决双轴及多轴加载下的耦合问题,故不适宜分析异形柱。纤维模型梁柱单元是目前解决梁柱空间分析中双向弯曲耦合以及轴向变形与弯曲变形耦合问题最有效的单元模型,是目前分析异形柱构件和结构最理想的模型。但纤维模型目前尚不能考虑剪切效应影响,导致在分析时纤维模型与构件实际受力结果比较误差仍较大。已有研究表明,异形柱构件在应用未考虑剪切效应的纤维模型进行分析时只适用于大剪跨比构件。在实际工程中,异形柱的剪跨比通常较小,此时剪切效应对截面变形的影响将不可忽略,能否继续适用于杆元分析取决于构件的剪切变形相对于弯曲变形在构件总变形中所占的比例是否可以忽略。因此在纤维模型中加入剪切效应影响,并分析改进后的模型对于钢筋混凝土异形柱截面分析的适用范围,对于纤维模型杆单元的进一步完善和计算精度的进一步提高,具有重要的理论和实际意义。围绕这个目标,本文主要完成以下工作:①通过和实体模型对比分析肢高厚比4:1等肢L形柱,验证一般空间杆单元在不适宜分析异形柱,纤维模型梁柱单元是目前分析异形柱的理想模型。②分析剪切效应对杆元分析影响;基于有限单元柔度法,在传统考虑压、弯效应的纤维模型基础上,加入剪切效应影响,建立可以综合考虑压、弯、剪、扭四种效应的空间梁柱纤维模型,并验证加入剪切效应理论的正确性。③在弹性阶段以剪跨比λ、肢高厚比η和等肢不等肢等影响剪切效应的主要因素为参量,在构件层次上以柱顶侧移和柱顶转角误差作为依据,对《混凝土异形柱结构技术规程》规定的L形、T形、十形柱分别适用考虑剪切效应前后的纤维模型梁柱单元分析的适用性进行定量探讨,给出异形柱适用考虑剪切效应纤维模型杆元分析的剪跨比λ和肢高厚比η范围,为异形柱进一步的工程应用提供参考建议,也为非线性阶段应用考虑剪切效应纤维模型分析异形柱打下基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究的目的及意义
• 1.2 异形柱结构分析模型研究现状
• 1.2.1 异形柱构件的基本特征
• 1.2.2 异形柱结构分析模型研究现状
• 1.2.3 异形柱分析模型剪切效应研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 2 分析模型及分析程序
• 2.1 引言
• 2.2 基于有限元柔度法的纤维模型梁柱单元
• 2.2.1 单元模型基本假定
• 2.2.2 单元力与变形的定义
• 2.2.3 材料本构模型
• 2.3 一般空间杆单元模型
• 2.3.1 SAP2000 杆单元模型
• 2.3.2 ANSYS 杆单元模型
• 2.3.3 SATWE 杆单元模型
• 2.4 SAP2000 实体有限元模型
• 2.5 分析程序
• 2.5.1 基于柔度法的纤维模型梁柱单元分析程序
• 2.5.2 通用有限元分析软件SAP2000
• 2.5.3 通用有限元分析软件ANSYS
• 2.5.4 空间有限元分析与设计软件SATWE
• 3 现有杆单元模型分析异形柱
• 3.1 引言
• 3.2 一般空间杆单元分析异形柱
• 3.2.1 SAP2000 杆单元分析等肢L 形柱
• 3.2.2 ANSYS 杆单元分析异形柱
• 3.2.3 SATWE 杆单元分析异形柱
• 3.2.4 本节小结
• 3.3 基于柔度法纤维模型梁柱单元分析异形柱
• 3.3.1 ZL0、ZL30、ZL45 工况分析等肢L 形柱
• 3.3.2 本节小结
• 3.4 本章小结
• 4 加入剪切效应影响纤维模型梁柱单元
• 4.1 引言
• 4.2 剪切效应对异形柱杆元分析适用性影响
• 4.2.1 剪切效应对截面变形的影响
• 4.2.2 剪切效应对杆元分析影响评价
• 4.2.3 本节小结
• 4.3 加入剪切效应影响的梁柱纤维模型
• 4.3.1 单元状态确定
• 4.3.2 剪切和扭转形函数的选取
• 4.3.3 单元刚度方程确定
• 4.3.4 本节小结
• 4.4 模型验证
• 4.4.1 加入剪切效应纤维模型分析等肢L 形柱
• 4.4.2 本节小结
• 4.5 本章小结
• 5 纤维模型梁柱单元分析异形柱适用范围研究
• 5.1 引言
• 5.2 异形柱剪切效应影响因素及参数确定
• 5.2.1 异形柱剪切效应影响因素
• 5.2.2 参数确定
• 5.3 不考虑剪切效应梁柱纤维模型分析等肢异形柱适用范围
• 5.4 考虑剪切梁柱纤维模型分析等肢异形柱适用范围
• 5.5 考虑剪切前后梁柱纤维模型分析等肢异形柱对比
• 5.6 不等肢异形柱适用考虑剪切梁柱纤维模型分析范围
• 5.7 本章小结
• 6 结语
• 6.1 完成的主要工作
• 6.2 主要结论
• 6.3 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录: