基于纤维模型足尺钢框架振动台试验的模拟分析

摘要

我国现行规范主要是建立在线弹性理论基础上的,通过对线弹性计算结果的局部修正加以考虑塑性的性能。随着建筑在高度,形式和使用材料等方面的不断发展,线弹性分析已难以满足工程实际的需要,但由于非线性分析在复杂程度、计算手段、计算时间等方面的限制,非线性分析在实际工程中的应用常常还处于构件分析层面上。仅仅进行构件的非线性分析难以把握整体结构在非线性全过程的性态,对复杂形式结构的设计与施工的指导作用不大,整体结构的非线性分析已成为复杂结构设计的迫切要求。 OpenSees是当今国际上流行的应用于结构和土线性与非线性分析的开放性分析平台,它具有数据库丰富、使用灵活、结果准确度高、适用范围广等优点。本文运用OpenSees软件和纤维模型对一个四层足尺钢框架振动台试验进行模拟分析,非线性有限元模型的建立使用了校验与验证的建模方法。首先,通过对试件所使用材料的拉伸试验进行模拟与校准,得到分析模型中相关材料参数。第二,为了进一步校正模型的非线性性能,对主要结构构件(梁和柱)的往复荷载试验进行模拟分析,得到的构件建模方式与相关参数,并应用于整体结构的建模中。整体模型建立后,进行了模态分析和线性时程分析,并与通用有限元程序SAP2000分析的结果进行了对比,非线性有限元模型的准确性从而得到验证。通过Pushover分析可以了解结构在试验地震波激励下的破坏形态,对后续的整体非线性时程分析具有指导作用。最后通过OpenSees分析结果与试验结果的对比发现,除位移有偏差外,其余的结果吻合程度较好,而且OpenSees准确预测了试件的倒塌时间,体现了OpenSees和纤维模型在结构整体非线性分析中的适用性与优越性。 在钢框架模型的建立中,主要采用了以下技术措施： 1、采用了形式上较为简单的材料本构模型(混凝土采用Kent-Scott-Park模型,钢采用Giuffré-Menegotto-Pinto模型)。虽然这两种材料本构模型形式上都较为简单,但它们都是从众多的试验数据中回归得到的,有关研究表明,运用上述两种本构模型分析得到的结果能较好地反映试验结果,能满足实际工程的要求。 2、整体结构的建模采用纤维模型,纤维模型的优点在于它仅仅通过指定材料的单轴本构关系,就可考虑较为复杂的截面和构件性能,如箍筋对混凝土的约束作用,轴力与弯矩的耦合作用等等。与其他非线性有限元方法相比,纤维模型的自由度较少,可以大大减小计算规模与节省计算时间。 3、采用Newmark-β逐步积分法和Newton迭代法求解非线性动力方程。 本文研究表明基于Opensees软件和纤维模型的整体结构非线性分析方法可以通过比较少的自由度,达到很好地模拟结构非线性行为的结果,节省了计算时间,高效地完成整体结构非线性分析。

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第一章 绪论

1.1结构抗震试验

1.1.1拟静力试验

1.1.2拟动力试验

1.1.3模拟地震振动台试验

1.1.4人工地震试验

1.1.5天然地震试验

1.1.6远程协同结构试验

1.2非线性与非线性分析模型

1.2.1非线性类型

1.2.2非线性分析模型

1.3本文的研究目的、内容及结构安排

第二章 足尺钢框架振动台试验

2.1试验背景与目的

2.2 E-Defense振动台介绍

2.3试件的制作

2.3.1主体结构的制作

2.3.2试验保护系统

2.3.3非结构构件

2.4试验选用的地震波

2.5试验过程

第三章非线性有限元模型的建立

3.1 OpenSees简介

3.1.1 OpenSees概述

3.1.2 OpenSees的基本框架

3.2纤维模型

3.2.1纤维模型

3.2.2材料本构模型

3.3材料与构件的模拟

3.3.1材料的模拟

3.3.2构件的模拟

3.4非线性有限元模型的建立

3.4.1非线性有限元模型的建立

3.4.2非线性有限元模型的校准分析

第四章分析结果与试验结果对比

4.1分析结果与试验结果对比

4.1.1位移反应对比分析

4.1.2绝对加速度反应对比分析

4.1.3力反应对比分析

4.1.4柱轴向应变对比分析

4.1.5倒塌时间对比分析

4.2倒塌分析与屈曲模拟

4.2.1倒塌分析

4.2.2屈曲模拟

4.3小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢