钢筋混凝土细长柱结构精细化分析模型及动力二阶效应研究

论文摘要

当结构承受竖向荷载时,已变形的结构或杆件中会产生P-Δ和P -δ两类二阶效应。人们对细长柱的静力二阶效应研究较多,但对动力二阶效应的研究则相对较少,且大都限于P-Δ效应的研究。本文针对钢筋混凝土细长柱精细化模型和动力二阶效应进行了一些探讨和研究,主要内容如下。论文基于柔度法理论和纤维模型,建立了能精确考虑P-Δ效应和P -δ效应的新单元模型,且实现了P-Δ效应和P -δ效应的分离计算,从而为采用同一单元模式研究动力二阶效应规律及P -δ效应对P-Δ效应的影响提供了可能。通过数值验证和对比分析,该精细化分析模型准确、高效。建立了考虑梁柱节点剪切变形的拉—压杆模型,提出了考虑梁柱节点核心区剪切变形的新方法,该方法能全面反映梁柱节点区的受力机理。通过与试验结果及其他方法得到的节点核心区剪应力应变关系曲线进行对比,本论文提出的定参方法与试验结果更接近。在单质点体系的动力二阶效应研究部分,本论文首先推导了同时考虑P-Δ和P -δ效应的侧向刚度折减系数计算公式;提出了考虑动力二阶效应的通用反应谱法和规范反应谱法,通过数值计算,验证了理论公式的可靠性和准确度;同时,分析了P -δ效应在静力和动力分析下在整体二阶效应中所占的比重,明确了动力二阶效应与静力二阶效应的区别及影响因素,除稳定系数外,结构周期和地震动的频谱特性等都对动力二阶效应有显著影响;论文将竖向地震动对结构水平响应的影响视为变轴力对水平地震响应的影响,建立了在水平和竖向地震动同时作用下考虑结构二阶效应的运动方程,通过参数分析明确了竖向地震动对动力二阶效应的影响因素;论文研究了不同非线性程度引起的动力二阶效应大小,分析了材料非线性对结构动力二阶效应的影响,探讨了采用折减刚度来考虑材料非线性影响的可能性;最后,本论文还设计了5组试件,完成了不考虑和考虑二阶效应的静力推覆试验、单独水平地震作用和水平、竖向地震同时作用下的振动台试验,通过对试验结果的分析,验证了理论公式的准确性。在多质点体系的动力二阶效应研究部分,针对现有程序和规范中考虑结构二阶效应的方法,分析了其存在的问题,特别是对考虑二阶效应的等效水平力方法和“虚柱法”进行了讨论;本论文从理论上说明了无论静力还是动力分析,都可以采用虚柱法来近似地考虑剪切型或弯曲型结构的P—Δ效应;并提出了两种考虑动力二阶效应的简化方法（振型分解反应谱法和底部剪力法）,与数值计算结果对比表明,这两种方法是可行的和合理的。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 二阶效应研究现状及研究意义
• 1.2.1 考虑二阶效应的精细化分析模型
• 1.2.2 静力二阶效应
• 1.2.3 动力二阶效应
• 1.2.4 研究意义
• 1.3 本论文的研究目的和研究内容
• 2 精细化分析模型的建立和程序集成
• 2.1 考虑二阶效应的柔度法非线性梁柱单元
• 2.1.1 OpenSees 中Nonlinear Beam Column 单元模型
• 2.1.2 考虑P ?Δ和P? δ效应的方法
• 2.1.3 建立柔度单元刚度矩阵
• 2.1.4 程序的集成及分析验证
• 2.2 考虑梁柱节点区剪切变形的拉-压杆模型
• 2.2.1 拉—压杆模型概述
• 2.2.2 模型机理分析和计算简图
• 2.2.3 拉—压模型方法的验证
• 2.3 本章小结
• 3 单质点体系考虑动力二阶效应的方法
• 3.1 水平地震作用下考虑动力二阶效应的方法
• 3.1.1 二阶效应引起的侧向刚度折减系数
• 3.1.2 考虑二阶效应的运动方程
• 3.1.3 同时考虑动力P? Δ和P? δ效应的反应谱法
• 3.1.4 理论公式验证
• 3.1.5 动力与静力二阶效应的区别
• 3.1.6 P? δ效应的影响分析
• 3.2 材料非线性对动力二阶效应的影响
• 3.2.1 材料非线性程度分析
• 3.2.2 影响因素分析
• 3.2.3 采用刚度折减考虑材料非线性的影响
• 3.3 竖向地震作用下考虑动力二阶效应的方法
• 3.3.1 竖向地震动对结构的影响
• 3.3.2 水平和竖向地震共同作用下结构的运动方程
• 3.3.3 二阶效应对竖向及水平向地震响应的影响
• 3.3.4 竖向简谐波作用下动力二阶效应影响因素分析
• 3.3.5 竖向地震波作用下动力二阶效应的影响因素分析
• 3.4 本章小结
• 4 单质点体系试验及结果分析
• 4.1 试件设计
• 4.1.1 试件设计思路
• 4.1.2 试件几何尺寸和装置
• 4.1.3 实测材性性能
• 4.2 试验方案
• 4.2.1 加载制度
• 4.2.2 量测内容
• 4.2.3 量测方法
• 4.2.4 试验地震波选取及试验工况
• 4.3 主要试验结果对比分析
• 4.3.1 静力试验结果
• 4.3.2 动力试验结果
• 4.4 本章小结
• 5 多质点体系考虑二阶效应的计算机方法
• 5.1 考虑二阶效应的等效水平力
• 5.1.1 剪切型结构
• 5.1.2 弯曲型结构
• 5.2 程序中考虑二阶效应的方法
• 5.2.1 迭代法
• 5.2.2 虚柱法
• 5.2.3 等效几何刚度有限元法
• 5.2.4 折减弹性抗弯刚度有限元法
• 5.3 考虑动力二阶效应的虚柱法
• 5.4 准确考虑二阶效应的方法
• 5.5 SAP2000 程序中考虑二阶效应的方法
• 5.5.1 考虑二阶效应的两种方法
• 5.5.2 算例设计
• 5.5.3 静力二阶效应
• 5.5.4 动力二阶效应
• 5.6 本章小结
• 6 多质点体系考虑动力二阶效应的简化方法
• 6.1 二阶型周期的求解
• 6.1.1 考虑几何刚度的特征方程求二阶周期法
• 6.1.2 考虑增大系数的顶点位移法
• 6.2 基于振型分解考虑二阶效应的时程分析法
• 6.2.1 振型方程
• 6.2.2 数值验证
• 6.3 考虑二阶效应的振型分解反应谱法
• 6.3.1 振型分解反应谱法推导
• 6.3.2 不同参与振型数的相对误差分析
• 6.4 考虑二阶效应的底部剪力法
• 6.4.1 底部剪力法推导
• 6.4.2 底部剪力法与振型分解反应谱法的误差分析
• 6.5 本章小结
• 7 结论
• 7.1 钢筋混凝土细长柱结构精细化分析模型
• 7.2 关于单质点体系动力二阶效应的主要研究结论
• 7.3 关于多质点体系动力二阶效应的主要研究结论
• 7.4 本论文主要创新点
• 7.5 后续研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录