基于修正斜压场理论的钢筋混凝土三维非线性有限元分析

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加拿大多伦多大学的F.J.Vecchio团队在修正斜压场理论(MCFT)的基础上,采用弥散转角裂缝模型、低阶单元和全量割线刚度迭代法对钢筋混凝土进行非线性有限元分析,取得了较大的成果。基于修正斜压场理论的弥散转角裂缝模型的非线性有限元分析方法利用二维单元程序在分析平面特性比较突出的结构时,比如板、墙等,已经能够得到较好的计算结果,同时对于轴压比较小的柱子(0.15)分析结果也不错;但是针对三维特性比较突出的结构时,比如带长翼缘的剪力墙、轴压比较大的柱子等,二维单位无法较好模拟。而且同时考虑受拉受压残余应变的混凝土滞回本构在全量割线刚度迭代法中引起的数值问题未得到有效解决,对板、柱等滞回效应的模拟不甚理想。本文以加州大学Berkeley分校Taylor教授研发的FEAPpv程序为平台,以修正斜压场为理论基础,利用能够较好模拟出结构受力特点,真实描绘出结构单元形态的三维实体单元对板、墙和短柱进行了非线性有限元分析,并对计算结果进行了相关讨论,验证程序的正确性。本文主要进行如下几个方面的研究工作:①为了更好模拟钢筋混凝土结构的滞回效应,参考了日本千叶大学野口博等人对混凝土和钢筋滞回本构的相关研究,对滞回规则做了相应修改,并同时考虑了混凝土受拉受压残余应变;利用上荷载步和本荷载步的各迭代步的应变差值作为应变增量,确定应变的滞回路径,以此计算该应变下混凝土和钢筋所对应的应力值。②混凝土和钢筋的滞回本构运行中,需要存储一系列的历史变量。运用Jacobi方法求解主应变和应变方向向量过程中不能自动处理应变在滞回本构行进中正负交替带来的影响,需要人为判断应变历史并给出正确路径。本文主要利用上荷载步和本荷载步的各迭代步的主应变角差值进行判断和处理,使得每个主方向上应变能够对应该方向上的滞回路径。③在FEAPpv程序平台中,没有基于割线刚度迭代法的加载模式。利用本文的理论基础需要把基于全量割线刚度迭代法的力法和位移法两种加载模式添加到程序平台中。使得程序不仅能够计算上升段曲线,同时也可以计算下降段曲线,更好模拟结构峰值后期的反应状态。通过本文的研究工作,取得了如下成果:①将基于全量割线刚度的迭代法添加到FEAPpv程序平台中,替换掉原来程序本身的基于增量切线刚度的迭代法,实现了基于平均应力应变的低阶八节点六面体砖单元的非线性有限元分析。②在混凝土和钢筋的滞回本构中,同时考虑了混凝土的受压残余应变和受拉残余应变,利用原点平移技术解决其形成的数值问题,保证了收敛的稳定性。③将结构力学中处理支座位移问题的方法引入到位移算法中,并添加到FEAPpv程序平台中,使程序能够同时利用力加载和位移加载分析问题。④运用本文编制的程序对剪切板、剪力墙和短柱进行了单调和滞回的模拟,验证了本文程序的准确性和有效性。并运用程序对混凝土滞回规则、约束效应进行了对比研究。
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