钢筋混凝土构件二维非线性有限元分析

论文摘要

采用有限元法分析一般荷载作用下的钢筋混凝土结构时,要得到对结构性能的合理准确的模拟结果,除了需要有先进的数值分析方法外,还需要合理的本构模型。合理的混凝土和钢筋的本构模型要尽量能够反映不同应力状态下真实的材料性能。在现有的研究基础上,利用混凝土本构试验研究的新成果,本文着重对混凝土的滞回本构模型进行了细化。使得模型中的卸载和再加载曲线的形状既能准确地反映混凝土的能量耗散能力以及由反复荷载作用而带来的材料的损伤,又能合理地反映部分卸载和再加载路径的影响,合理地考虑了混凝土开裂后在反复加载过程中裂面效应的影响。采用等效单轴应变模型描述复杂应力状态下混凝土的应力应变关系。在上述工作基础上,本文利用开放的FEAPpv有限元软件平台,编制了二维钢筋混凝土非线性分析程序,用来模拟钢筋混凝土构件的滞回受力性能。本文的工作主要包括以下几个方面:①在平台用户自定义单元库中,添加了钢筋混凝土四结点四边形等参单元,采用高斯积分的方法形成单元的刚度矩阵,采用整体式有限元模型将钢筋弥散在混凝土中;②采用弥散裂缝模型和等效单轴应变的方法描述混凝土在复合受力状态下的滞回性能,考虑了裂面效应、泊松比和混凝土双向受力等因素的影响;③在Feappv程序的材料库中添加了考虑Bauschinger效应和等向硬化的钢筋本构模型;④对混凝土开裂后剪切模量的不同取值的影响进行了比较分析;⑤考察了混凝土应力-应变关系中裂面效应对反复加载下剪切板模拟结果的影响;⑥对本研究小组收集到的61块不同试验参数的剪切板和部分剪力墙进行了模拟分析。通过本文完成的工作得到的主要结论有:①由对61块不同试验参数的剪切板进行的模拟分析的结果表明:本程序对剪切板试件的极限承载力和变形能力的预测与试验结果吻合的较好,验证了本程序定参的合理性和数值模拟的准确性;②混凝土开裂后的剪切模量的取值对分析结果（极限承载力、变形能力）有非常重要的影响;③混凝土应力-应变关系中考虑裂面效应会使模拟的剪切滑移段更接近试验结果;④本文程序能用于对反复荷载作用下剪力墙的模拟,并且能得到与试验结果较为吻合的结果。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 钢筋混凝土有限元分析的发展
• 1.1.1 历史沿革
• 1.1.2 发展和应用中的有关问题
• 1.2 有限元分析模型简介
• 1.2.1 有限元分析的单元模型
• 1.2.2 钢筋混凝土有限元模型
• 1.2.3 处理混凝土裂缝的方式
• 1.2.4 钢筋混凝土的分析模型
• 1.3 问题的提出
• 1.4 本文的研究内容
• 1.5 论文的组织安排
• 2 程序实现的理论基础
• 2.1 混凝土的本构模型
• 2.1.1 等效单轴应变模型
• 2.1.2 混凝土受拉开裂的处理
• 2.1.3 破坏面的确定
• 2.1.4 混凝土的应力应变关系
• 2.2 钢筋的本构模型
• 2.3 单元刚度矩阵和等效结点恢复力的形成
• 2.3.1 四结点四边形等参数单元的位移函数和坐标转换
• 2.3.2 单元应变矩阵
• 2.3.3 单元刚度矩阵
• 2.3.4 单元等效结点恢复力
• 2.3.5 高斯积分
• 2.3.6 钢筋混凝土单元材料矩阵和单元应力的确定
• 2.4 非线性方程组的解法
• 2.4.1 Newton-Raphson 迭代法
• 2.4.2 利用弧长法实现对求解过程的自动控制
• 2.4.3 收敛准则
• 3 程序的实现
• 3.1 FEAPpv 简介
• 3.2 钢筋混凝土非线性分析流程图
• 3.3 非线性钢筋混凝土单元的添加
• 3.3.1 单元材料参数
• 3.3.2 单元刚度矩阵和单元等效结点恢复力形成流程图
• 3.3.3 高斯积分点上应力和材料矩阵的形成
• 3.3.4 混凝土单元的应力和材料矩阵的形成
• 4 分析结果对比与程序验证
• 4.1 剪切板试件试验参数
• 4.2 剪切板的有限元分析模型
• 4.3 不同剪切模量的分析对比
• 4.3.1 分析结果对比图
• 4.3.2 对比分析结果评述
• 4.4 单调加载下剪切板试件的模拟
• 4.4.1 分析结果对比图
• 4.4.2 分析结果评述
• 4.5 反复加载下剪切板试件的模拟
• 4.5.1 分析结果对比图
• 4.5.2 分析结果评述
• 4.6 集中荷载反复加载条件下剪切板W4 的模拟
• 4.7 反复加载下剪力墙构件的模拟
• 4.7.1 SW31～33 剪力墙的模拟
• 4.7.2 PCA Wall B 剪力墙的模拟
• 5 结论
• 5.1 完成的主要工作
• 5.2 主要结论
• 5.3 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录