钢筋混凝土等效材料的研究与应用

论文摘要

钢筋混凝土材料是目前最主要的建筑材料,有限元方法对混凝土结构进行研究,着重于能够更真实的描述结构的实际受力状态,为此,需建立能适应特殊计算要求的单元和进行更精确的网格划分。但是,目前对复杂的、大体积混凝土结构整体性质的描述,存在计算精度和计算效率的矛盾。由于钢筋混凝土结构体积大、配筋复杂、有限元模型单元数目巨大,使得结构的计算时间很长甚至不能完成,在对结构进行非线性分析时这种矛盾尤其突出。本文利用复合材料细观力学的等效弹性模量方法,推导开裂前钢筋混凝土的等效弹性模量;利用构件截面的弯矩-曲率曲线,推导开裂后构件截面的等效材料应力-应变关系。本文研究钢筋混凝土等效材料主要包括以下几方面:1)通过引入复合材料细观力学的桥联模型法,考虑钢筋混凝土构件开裂前的等效性质。通过单向纤维增强复合材料的等效弹性模量表达式,建立钢筋混凝土单、双向配筋构件等效弹性模量和配筋率的关系,利用参考文献中的试验数据建模分析,对得到的等效弹性模量进行验证。2)钢筋混凝土构件开裂后,复合材料细观力学的适用条件不再满足。因此,本文利用层模型方法编制构件截面的弯矩-曲率曲线程序,利用此弯矩-曲率曲线考察开裂状态下构件截面的刚度退化情况,进而推导出用于构件全过程分析的等效材料应力-应变关系。利用ABAQUS软件建模对几种截面类型的等效材料模型和分离式模型进行了全过程分析,验证此等效材料本构关系的适用性。3)选取梧桐山立交高墩小半径曲线梁桥E匝道第五联为分析对象,利用上述等效方法,计算预应力曲线梁的等效弹性模量和桥墩截面的等效材料本构关系,建立该联的等效材料模型,与钢筋混凝土分离式模型分别进行正常使用极限状态和承载能力极限状态的分析结果对比,验证等效材料的适用性。本文以实际工程为背景,通过复合材料细观力学和构件截面的弯矩-曲率曲线关系两种方法获得钢筋混凝土结构的等效材料。应用此等效材料建立模型可以大大减少单元数量、提高计算效率、分析精度也较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外在该方向的研究现状
• 1.2.1 细观力学计算复合材料的等效弹性模量
• 1.2.2 构件的骨架曲线和桥墩非线性分析研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 开裂前构件的等效弹性模量
• 2.1 钢筋混凝土等效材料的弹性模量公式推导
• 2.2 单双向配筋时弹性模量随配筋率增加的变化规律
• 2.3 等效材料和分离式模型的位移比较
• 2.3.1 单向配筋构件
• 2.3.2 双向配筋构件
• 2.4 试验数据分析
• 2.5 配筋对混凝土弹性模量的影响及工程应用
• 2.6 本章小结
• 第3章 开裂后构件的等效材料应力-应变关系
• 3.1 混凝土的受压本构关系
• 3.1.1 我国《混凝土结构设计规范》的曲线
• 3.1.2 Hongnestad表达式
• 3.1.3 Saenz等人的改进表达式
• 3.2 混凝土的受拉本构关系
• 3.2.1 单直线下降式
• 3.2.2 多段下降式
• 3.2.3 欧洲混凝土模式
• 3.3 钢筋的受拉本构关系
• 3.4 轴心受力构件等效材料的应力-应变关系
• 3.4.1 轴心受力构件的等效本构关系推导
• 3.4.2 轴心受压构件的等效材料模型与分离式模型比较
• 3.4.3 轴心受拉构件的等效材料模型与分离式模型比较
• 3.5 压弯构件的等效本构关系
• 3.5.1 箍筋作用下混凝土的本构关系
• 3.5.2 压弯构件的弯矩-曲率曲线
• 3.5.3 构件的模拟验算
• 3.6 本章小结
• 第4章 曲线桥两种极限状态下分析
• 4.1 荷载分析
• 4.1.1 自重
• 4.1.2 车道荷载
• 4.1.3 温度作用
• 4.1.4 预应力
• 4.1.5 反应谱荷载
• 4.2 正常使用极限状态下曲线梁分析
• 4.3 曲线梁桥承载能力极限状态分析
• 4.4 两种材料模型的比较
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢