對橋梁結(jié)構(gòu)進行彈塑性地震響應(yīng)分析的關(guān)鍵是選擇能準確模擬延性墩柱構(gòu)件非線性力學(xué)行為的非線性梁柱單元。相較于實體單元和集中塑性鉸單元,彈塑性纖維梁柱單元兼具計算效率和計算精度,因此在土木工程結(jié)構(gòu)抗震分析中得到了廣泛的應(yīng)用。本文利用通用有限元軟件ABAQUS的二次開發(fā)功能發(fā)展了一種彈塑性纖維梁柱單元并將其應(yīng)用于橋梁抗震研究。主要研究內(nèi)容包括:（1）利用ABAQUS提供的UMAT程序接口二次開發(fā)了多種可適用于纖維梁柱單元三維彈塑性分析的材料本構(gòu)模型,包括兩種混凝土本構(gòu)模型（Concrete01、Concrete02）和四種鋼筋本構(gòu)模型（Steel01^Steel04）。混凝土本構(gòu)可用于模擬鋼筋混凝土梁柱構(gòu)件截面的約束及無約束混凝土材料纖維,鋼筋本構(gòu)可用于模擬截面的鋼筋材料纖維。（2）通過單一材料梁柱構(gòu)件的數(shù)值試驗全面驗證了二次開發(fā)的鋼筋材料本構(gòu)模型Steel01^Steel04的正確性,數(shù)值試驗考慮了軸向、橫向單調(diào)加載和循環(huán)往復(fù)荷載作用等多種荷載工況,各工況下構(gòu)件的彈塑性響應(yīng)結(jié)果均符合理論預(yù)期;通過兩個鋼筋混凝土柱擬靜力試驗的數(shù)值模擬驗證了本文開發(fā)的彈塑... 

【文章來源】：重慶交通大學(xué)重慶市

【文章頁數(shù)】：96 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

ABAQUS的系統(tǒng)組織示意圖

8第二章彈塑性纖維梁柱單元有限元格式及材料本構(gòu)模型2.1梁單元基本理論彈塑性纖維梁柱單元是在兩種基本的梁理論基礎(chǔ)上發(fā)展的，即歐拉-伯努利(Euler-Bernoulli)梁理論和鐵木辛柯（Tiomoshenko）梁理論。歐拉-伯努利梁理論也被稱為經(jīng)典梁理論，它假設(shè)任一垂直于梁軸線的橫截面在變形后保持為平面且仍與中軸線垂直，即忽略了梁的剪切變形，其厚度方向材料纖維轉(zhuǎn)角θ與中軸線撓度w滿足如下關(guān)系：=dwdxθ（2.1）與歐拉-伯努利梁不同，鐵木辛柯梁理論考慮了梁的剪切變形，它假定任一垂直于梁軸線的截面在變形后保持為平面，但不一定與中軸線垂直，鐵木辛柯梁的剪應(yīng)變可表示為：=dwdxγθ（2.2）對同一段梁，由歐拉-伯努利梁理論和鐵木辛柯梁理論得到的梁體變形示意圖見圖2-1。（a）歐拉伯努利梁（b）鐵木辛柯梁圖2-1歐拉伯努利梁和鐵木辛柯梁示意圖由于上述差別，歐拉-伯努利梁主要適用于模擬長細比較大、彎曲變形為主的梁柱構(gòu)件，而鐵木辛柯梁既可用于模擬剪切變形較小的細長梁柱構(gòu)件，也可用于模擬剪切變形不可忽略的短粗梁柱構(gòu)件。

13需指出的是，式（2.17）中力形函數(shù)[(xN)]f是基于梁柱單元的平衡微分方程建立的，從而保證了單元的截面內(nèi)力{F(x)}在任何情況下都嚴格滿足平衡方程，即使構(gòu)件進入強烈非線性階段。以上介紹了剛度法和柔度法分別建立單元力與變形關(guān)系的全過程，兩者存在明顯區(qū)別。此外，剛度法和柔度法確定單元狀態(tài)也存在區(qū)別，如圖2-3所示，具體細節(jié)參見文獻[14]。圖2-3剛度法和柔度法單元狀態(tài)確定比較由上述過程可以看出，柔度法與剛度法有以下特點：（1）柔度法由于導(dǎo)出過程中采用了嚴格滿足平衡條件的形函數(shù)，僅需較少的單元即可很好的描述構(gòu)件的非線性行為；同時，由于未采用位移差值，基于柔度法的鐵木辛柯梁單元不會發(fā)生剪切鎖死問題；（2）剛度法的單元狀態(tài)很容易確定；但是柔度法的單元狀態(tài)很難確定，桿端力、位移更新需要進行單元層次的迭代，為消除桿端殘余變形需要進行截面層次的迭代，計算量很大（如圖2-3所示）；（3）有限元軟件基本都是基于剛度法研發(fā)的，柔度法想要嵌入這類軟件并不容易。2.3本文采用的鋼筋混凝土纖維材料本構(gòu)模型由前兩節(jié)介紹可知，建立能正確模擬鋼筋混凝土梁柱構(gòu)件的彈塑性纖維梁柱單元需將整個截面進行纖維劃分，并按實際情況設(shè)置纖維材料為無約束/有約束

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于OpenSees的鋼筋混凝土梁粘結(jié)滑移數(shù)值分析[J]. 祝雙,張沛洲,古泉,歐進萍.  工程力學(xué). 2017(S1)
[2]基于OpenSees的鋼筋混凝土橋墩抗震數(shù)值分析模型[J]. 孫治國,華承俊,靳建楠,王東升.  世界地震工程. 2016(01)
[3]A fiber-section model based Timoshenko beam element using shear-bending interdependent shape function[J]. Li Ning,Li Zhongxian,Xie Lili.  Earthquake Engineering and Engineering Vibration. 2013(03)
[4]鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)擬靜力倒塌試驗研究及數(shù)值模擬競賽Ⅰ:框架試驗[J]. 陸新征,葉列平,潘鵬,趙作周,紀曉東,錢稼茹.  建筑結(jié)構(gòu). 2012(11)
[5]鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)擬靜力倒塌試驗研究及數(shù)值模擬競賽Ⅱ:關(guān)鍵構(gòu)件試驗[J]. 陸新征,葉列平,潘鵬,唐代遠,錢稼茹.  建筑結(jié)構(gòu). 2012(11)
[6]鋼筋混凝土墩柱等效塑性鉸長度研究[J]. 孫治國,王東升,郭迅,李曉莉.  中國公路學(xué)報. 2011(05)
[7]基于有效累積滯回耗能的鋼筋混凝土構(gòu)件承載力退化模型[J]. 曲哲,葉列平.  工程力學(xué). 2011(06)
[8]基于OpenSees的鋼筋混凝土橋墩擬靜力試驗數(shù)值分析[J]. 李貴乾,鄭罡,高波.  世界地震工程. 2011(01)
[9]公路橋梁抗震設(shè)計細則分析[J]. 楊傳永.  安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版). 2009(03)
[10]兩種常見的梁柱單元理論對比與實例分析研究[J]. 伍永飛,李銘軍.  山西建筑. 2009(07)

博士論文
[1]基于推倒分析法的連續(xù)梁橋地震響應(yīng)簡化分析方法研究[D]. 李貞新.西南交通大學(xué) 2008
[2]基于有限單元柔度法的鋼筋混凝土框架三維非彈性地震反應(yīng)分析[D]. 陳滔.重慶大學(xué) 2003

碩士論文
[1]基于ABAQUS纖維梁元的靜力彈塑性分析[D]. 徐小龍.西南交通大學(xué) 2012
[2]框剪結(jié)構(gòu)彈塑性反應(yīng)分析程序二次開發(fā)及抗震性能校驗[D]. 陳偉賢.重慶大學(xué) 2010
[3]考慮剪切效應(yīng)的梁柱纖維模型分析異形柱的適用范圍研究[D]. 王玉芳.重慶大學(xué) 2008



本文編號：3114270