15国创申报0509

国家级大学生创新训练项目申报书国家级大学生创新训练项目申报书 项目编号 项目名称 基于有限元数值分析及截面分析法 的型钢混凝土梁变形性能指标验证 项目负责人 吴梓楠 项目管理学院 土木与交通学院 指导教师 季静 华南理工大学教务处华南理工大学教务处 二二 一五年四月一五年四月 1 填填 写写 说说 明明 1 创新训练项目是本科生个人或团队 在导师指导下 自主完成创 新性实验方法的设计 设备和材料的准备 实验的实施 数据处理与分 析 总结报告撰写等工作 2 申报书请按顺序逐项填写 填写内容必须实事求是 表达明确严 谨 简明扼要 空缺项要填 无 3 项目编号 一栏不填 项目管理学院 原则上为项目负责人 所在学院 4 申请参加大学生创新创业训练计划项目团队的人数含负责人在内 不得超过 5 人 5 填写时可以改变字体大小等 但要确保表格的样式不变 填写完 后用 A4 纸张双面打印 左侧装订成册 6 申报过程有不明事宜 请与学校教务处实践教学管理办公室联系 2 一 基本情况一 基本情况 二 立项依据 加页详述 二 立项依据 加页详述 一 研究目的 一 研究目的 地震是危害人类的严重自然灾害之一 在很多国家 地震是主要的自然灾害 中国人民受到的 地震灾害尤为重要 地震造成的人员伤亡 中国居世界首位 地震灾害已经受到全人类的重视 并 引发科学界对其进行深入研究和防范 人们开始考虑什么样的结构才能减少地震带来的损失 于是 便对结构进行了一系列的抗震设计 最早的结构抗震设计是抗力设计 但是地震工程的经验告诉我们 地震烈度提高一度 地震能 量增加十倍左右 此时单纯依靠抗力来抵抗地震作用 结构底层柱墙截面要提高数倍才能满足抗力 的需求 这是目前在建的高层 超高层结构都无法接受的 引入延性设计思想以后 工程师开始巧 项目名称基于有限元数值分析及截面分析法的型钢混凝土梁变形性能指标验证 所属学科土木工程 项目起止时间2015 年 5 月 至 2016 年 7 月 姓名吴梓楠性别男民族汉出生年月 1994 10 学号201330202403学院 土木与交通学 院 专业班级 土木工程卓越全英 班 年级2013联系电E mail 536548246 负责人 参与科研 情况 2015 年 3 月以团队负责人的身份 成功申报中央高校基本科研业务费本科 生自主选题项目 课题为 型钢混凝土梁变形性能试验研究及其变形性能指标适 用性验证 姓名年级所在学院 专业联系电话 E mail 谢五宁2013土木与交通学院 土木工程18819472551578932973 彭出2013土木与交通学院 土木工程18819487760707168967 孔志豪2012土木与交通学院 土木工程15626135015404310185 项目组成员 吴培均2012土木与交通学院 土木工程1336186862957034902 姓名所在学院职务 职称联系电话 E mail 季静土木与交通学院教vjingji 指导教师 承担科研 课题情况 主持和参加省部级 校级及横向科研项目三十余项 在国内外学术刊物和学 术会 议论文集中发表科研论文 60 余篇 其中有 30 余篇被三大 SCI EI ISTP 索引 出版教材和专著 5 部 18 妙地利用结构进入延性阶段以后的变形能力来耗散地震能量 结构截面尺寸得到极大的降低 在延 性抗震思想的指导下 现代建筑越来越高 人类建筑高度的极限 一次次被打破 结构设计思想从 抗力设计到延性设计的思想转变带来了极大的经济效益 在节约资源的同时 也极大地保证了人民 的生命财产安全 然而随着国家经济技术水平的发展和人民生活水平的提高 特别是在大型城市 由于主体结构本身的过大变形导致建筑功能特别是生命线工程功能中断带来的间接社会经济损失是 人们难以承受的 于是美国学者最先提出了基于性能的抗震理论 并很快为世界各国学者所接受 基于性能的结构抗震思想的本质是在综合考虑建筑 结构功能的前提下 对结构的塑性变形提出必 要的限制 在保证结构抗震安全性的前提下 将社会经济损失降低到可以承受的水平 目前 基于性能的抗震设计主要集中在钢筋混凝土构件方面的理论和试验研究 而对型钢混凝 土组合结构构件的变形性能的研究尚缺乏 相比于钢筋混凝土构件 型钢混凝土构件有很多优点 比如说 变形性能强 抗震性能好 可以配置更多钢材 加快施工速度和节省模板支撑等等 由此 可见 研究型钢混凝土组合结构构件的变形性能会更加完善基于性能的抗震设计方法 从而推动人 类抗震设计方法的进步 造福每一个人 研究型钢混凝土组合结构构件的变形性能最直接的方法是进行批量的试件试验 但这样会耗费 大量资金和时间 利用对典型试件的实验以及有限元软件 ABAQUS 的数值仿真模拟试验 通过单因 素分析 考察各类构件参数对构件抗震变形性能的影响 取得型钢 混凝土和粘结界面破坏和损伤 发展过程 确定各类组合构件的变形性能指标限值 而变形性能指标的适用性 则需要采取一定的手段进行验证 因此本课题组拟通过有限元分析 软件及截面分析法对性能指标进行验证 若条件允许也将选取部分典型试件进行试验验证 于此同 时 本课题组将推广截面分析法 让其功能不仅仅局限与对型钢混凝土梁的性能验证 并且能够完 成对其他构件在不同加载方式下的性能验证 二 研究内容 二 研究内容 1 1 型钢混凝土梁不同破坏类型的力 型钢混凝土梁不同破坏类型的力 应变关系 裂缝开展特征 破坏形态 以及影响其力学性应变关系 裂缝开展特征 破坏形态 以及影响其力学性 能的条件 能的条件 研究型钢混凝土梁变形性能指标限值 首先要对其在不同破坏类型状态下的裂缝和变形有 较深入的认识 所以 本课题组首先以西安建筑科技大学的王朝霞教授对型钢混凝土梁的破坏 过程和影响构建变形的不同因素的研究结果为主进行学习 了解型钢混凝土梁弯曲破坏 斜压 破坏 弯剪破坏等不同破坏类型的特点 学习其从加载到破坏过程中的力 应变曲线与混凝土 开裂强度 型钢屈服强度 构件破坏强度等指标的关系 了解钢筋应力 型钢应力 配钢率 梁截面尺寸 保护层厚度等因素对其裂缝发展的影响 19 2 2 熟悉 熟悉 ABAQUSABAQUS 数值分析的方法 并研究型钢混凝土梁在数值仿真分析中的合理建模方式 包数值分析的方法 并研究型钢混凝土梁在数值仿真分析中的合理建模方式 包 括材料的本构关系以及截面边界条件的选取 括材料的本构关系以及截面边界条件的选取 本课题组主要通过数值仿真分析对型钢混凝土梁进行研究 所以其建模方法的科学与有效 性至关重要 而型钢混凝土梁建模过程中混凝土 钢筋 型钢的本构选择 网格划分的密度 单元类型的选择 约束条件的定义等都需要通过数值仿真试验与实际试验的对比不断进行校正 才能合理地模拟型钢混凝土梁从加载到破坏的过程 3 3 合理运用截面分析法 通过课题组自主编写的程序来完成截面分析法的验证过程 并拓展截 合理运用截面分析法 通过课题组自主编写的程序来完成截面分析法的验证过程 并拓展截 面分析法的适用范围 面分析法的适用范围 截面分析法提供以一种除有限元数值分析之外 能够与试验相互结合来验证性能指标的新 途径 在本课题实行之前 本课题组部分成员已具备一定的软件编程能力 通过对截面分析法 的熟悉掌握来编写合理的程序 利用程序导出构件的力 位移曲线 同时与试验结果相互结合 来验证性能指标的适用性 除此之外 本课题组将研究如何打破截面分析法的局限性 让截面 分析法及相应程序能够成功验证其他构件在不同加载方式下的性能 3 3 验证型钢混凝土梁构件变形性能指标的适用性 验证型钢混凝土梁构件变形性能指标的适用性 华南理工大学高层建筑研究所对型钢混凝土梁进行了大量的研究 现已获得其变形性能指 标 该指标选用位移角作为度量标准 并定量地将构件变形性能水准划分为完好 轻微破坏 轻重等破坏 中等破坏 不严重破坏 严重破坏六个等级 对应五个变形指标限值 见图 1 对于有着不同设计参数和力学条件的构件 影响其变形性能指标的因素有很多 经过对大量仿 真实验的统计分析 拟定剪跨比 截面剪应力水平和配钢率为主要的影响因素 为了验证上述 结论并找到构件性能水准对应的微观物理意义 本课题组将通过数值仿真分析 截面分析法和 其他学者实验室实验的数据相互对照的方式进行验证 严重破坏 6 不严重破坏 5 中等破坏 4 轻中等破坏 3 轻微破坏 2 完好 1 极限值1极限值2极限值3极限值4极限值5 图 1 构件性能水准和性能限值示意图 4 4 典型试验验证 典型试验验证 上述数值模拟结果以及截面分析法的正确性和合理性仍然缺乏试验验证的基础 因此 为了说 明其应用的合理性和充分性 有必要将上述研究得出的性能表格给出的组合梁变形性能指标限值与 试验结果进行比较验证 验证拟通过盲测试验进行 20 三 国 内外研究现状和发展动态 三 国 内外研究现状和发展动态 1 1 基于性能的抗震设计理论研究现状和发展动态基于性能的抗震设计理论研究现状和发展动态 基于性能的抗震设计思想最早发端于新西兰著名学者 R Park 教授和 T Paulay 教授提出的基于 能力的抗震设计原理 美国 Northbridge 地震和日本的 Kobe 地震以后 基于性能的抗震设计理论 随之被提出 并很快为世界各国学者所接受 1995 年美国加州结构工程师协会 SEAOC Structural Engineer Association of California Vision 2000 委员会提出了发展能够满足多种结构性能目标的 指导结构抗震性能的 理论框架 发布了第一个技术文件 A Framework for Performance Based Engineering SEAOC Vision 2000 该文件吸收了 Northbridge 地震和 Kobe 地震等震害教训 考虑了地震近场效应修 改地面运动模型 采用了最新的地震参数区划图 改进了主体结构与材料相关的设计 Vision 2000 根据建筑物的重要性和设计地震水平 提出了不同的性能目标 对每一个性能目标 给出了 大量的表格去描述不同的结构构件和非结构构件的损伤状态 但描述大多是定性的 难点在于如何 将这些损伤状态的描述与分析过程中得到的工程参数联系起来 2000 年 FEMA349 和 FEMA356 修订并综合了 FEMA273 和 FEMA274 报告 更新了能力谱方法 在 美国太平洋地震工程研究中心 PEER 的推动下 FEMA 在 2006 年颁布了 Next Generation Performance Based Seismic Design Guidelines FEMA445 该报告的要点是将性能评估的全过 程分为相对独立又逻辑联系的四个阶段 地震危险性分析 结构反应分析 损伤分析和损失评估 并通过各阶段得到的变量 即地震动强度指标 工程需求指标 损伤指标和决策变量 将整个评估 过程有机地联系起来 通过这一模块化架构 可以比较方便地建立严格的系统性方法 从而将基于 性能的地震工程研究所需的多学科知识组织起来 为全面发展基于性能的抗震设计和评估规范定下 发展框架 中国最新国家标准 建筑抗震设计规范 GB50011 2010 和 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3 2010 以推荐方法的形式 初步引入了基于性能的抗震设计思想 并给出了推荐性的设计 建议 但未给出用什么样的指标界定结构构件特别是关键结构构件的损伤程度 广东省地方规范 高层建筑混凝土结构技术规程 DBJ15 92 2013 在 JGJ3 2010 的基础上 通过引入承载力利用 系数和构件重要性系数给出了操作性较强的构件性能化设计方法 但从本质上讲 我国目前的性能 化设计方法仍然没有能够跳出 半性能化设计 的范畴 无法给出构件实际的抗震性能的界定 王亚勇和李应斌等对基于性能的抗震理论的产生背景 基本内容 主要特点以及发展概况进行 了阐述 并结合我国抗震理论和实际的现状就其研究和应用的前景进行展望 白晓红和白国良指出对性能指标的进一步量化是基于性能的抗震理论的发展趋势 19 韩小雷 季静等研究了适用于我国工程实践的钢筋混凝土结构基于性能的抗震设计和评估方法 提出对不同水准地震作用下结构构件的受力和变形采用弹性和弹塑性方法进行结构分析 从结构和 构件两个层次对承载力和变形进行定量控制 并成功将基于性能的抗震方法应用在多个工程的抗震 评估中 取得了显著的经济效益 2 2 型钢混凝土组合结构构件研究现状和发展动态 型钢混凝土组合结构构件研究现状和发展动态 自 1962 年开始 包括 Bryson 和 Mathey 在内的国内外学者进行了很多型钢混凝土粘结性能的 试验研究 国内外关于型钢混凝土粘结强度的试验主要有两种类型 即推出试验 Push out test 和短柱试验 short column test Bryson 和 Mathey 于 1962 年进行了最早的推出试验 主要研究型钢表面状况对型钢混凝土粘结强度的影响 Hawkins 于 1973 年进行的型钢混凝土推出 试验主要研究了混凝土浇筑位置 型钢截面尺寸和横向配箍率对型钢混凝土粘结强度的影响 Roeder 在 1984 年首次在试验中考虑了粘结应力沿型钢锚固长度的变化 研究了粘结应力分布规律 1999 年 Roeder 和 Robert 对以往的型钢混凝土粘结性能的试验研究结果进行统计和分析 并进行 了 18 个试件的压入试验 着重考察了混凝土保护层厚度 横向配筋和配箍形式 型钢截面尺寸 型钢锚固长度 加载方式 剪切连接件等对粘结强度的影响 西安建筑科技大学郑山锁和李磊对型钢高强混凝土梁 框架柱 框架节点的抗震性能和受力机 理进行了系统的研究 主要关注型钢与高强混凝土的协同工作性能 清华大学聂建国和樊建生对钢管混凝土柱 钢 混凝土组合梁 钢筋混凝土叠合板的抗震性能 进行了一系列的试验研究 对型钢混凝土组合结构在桥梁工程中的应用进行了有益的探索 梁兴文等对型钢混凝土剪力墙结构基于位移的抗震设计和评估方法进行了初步的研究 通过对 相应性能目标状态的宏观描述 给出了型钢混凝土剪力墙结构各性能水平的层间位移角限值 四 创新点与项目特色 四 创新点与项目特色 本课旨在研究型钢混凝土梁的仿真建模方式及其变形性能指标限值的适用性 主要创新之处 说明如下 1 根据盲测试验原理研究型钢混凝土梁构件的变形机理及验证其变形性能指标 将真实试验 仿真试验 程序分析 指标预测结果四者相互对照 能够较为准确地得到型钢混凝土梁的 构件建模方案以及变形性能水准的准确性 2 采用截面分析法来获得型钢混凝土梁的力 位移曲线 3 运用软件编程的手段来完成截面分析法的分析过程 4 推广截面分析法及相应程序 使其能够完成对其他构件在不同加载方式下的性能验证 19 五 技术路线 拟解决的问题 五 技术路线 拟解决的问题 1 1 拟解决的关键科学问题 拟解决的关键科学问题 1 1 在 在 ABAQUSABAQUS 中不同边界条件和加载方式下的型钢混凝土梁的合理建模方式中不同边界条件和加载方式下的型钢混凝土梁的合理建模方式 在确定型钢混泥土组合梁的变形性能指标限制时 需要使用有限元分析软件 ABAQUS 进行数值分析 分析过程中的材料本构设置以及建模方式的准确性是需要解决的问题 2 2 掌握截面分析法的分析方法 通过编写程序来运用截面分析法 掌握截面分析法的分析方法 通过编写程序来运用截面分析法 截面分析法是一种获得构件力 位移曲线的新手段 只有对截面分析法有充分的认识 才能编写合理的程序来完成截面分析法的整个分析过程 3 3 型钢混凝土梁变形性能指标适用性的验证手段 型钢混凝土梁变形性能指标适用性的验证手段 在获取了型钢混凝土梁的变形性能指标的基础上 需采用一定的试验手段来验证性能指 标的适用性 4 4 推广截面分析法及完成截面分析法分析过程的程序 推广截面分析法及完成截面分析法分析过程的程序 本课题的性能指标验证拟采用悬臂梁加载来完成 因此截面分析法及其对应的实行程序 是根据悬臂梁加载方式来分析的 而对其他构件的多种加载方式 则需要再进行针对性的分 析 以此来对截面分析法进行推广 2 2 研究基础 研究基础 1 1 定义组合构件抗震性能水平定义组合构件抗震性能水平 根据建筑抗震设计规范提出的针对结构抗震性能的 7 个水准 小震完好 1 中震完 好 2 基本完好 3 轻微损坏 4 轻中等破坏 5 中等破坏 6 不严重破坏 7 其中结构处于小震完好 中震完好和基本完好状态 对组合构件变形的要求均处于弹 性极限位置附近 因此在本课题组在前期工作已将上述前三个性能水准均归为完好状态 对应的组合构件 变形极限是弹性极限变形 其他性能水准与整体结构保持一致 因此可得性能水准示意图如 下 严重破坏 6 不严重破坏 5 中等破坏 4 轻中等破坏 3 轻微破坏 2 完好 1 极限值1极限值2极限值3极限值4极限值5 图 1 构件性能水准和性能限值示意图 对于延性破坏 以构件材料损伤和塑性变形发展定义构件的抗震性能水准是有意义的 因此本课题在区分构件破坏类型的前提下 对延性构件将使用上述 6 个抗震性能水准的进 行破坏形态描述 19 2 2 各类组合构件破坏类型的分类与判别各类组合构件破坏类型的分类与判别 弯曲破坏 剪切破坏 粘结滑移破坏是三种基本的构件破坏类型 同时由于组合构件的 破坏过程具有阶段性 比如弯曲破坏发展到后期会表现为粘结滑移破坏的特征等 因此在具 体的案例中 会充分考虑三种基本破坏类型的耦合作用问题 弯曲破坏是由正截面抗弯承载力不足引起的破坏 剪切破坏是由斜截面受剪承载力不足 引起的破坏 粘结滑移破坏是由于钢材和混凝土的粘结滑移造成协同工作性能丧失 耦合破 坏指由一种破坏类型首先发展直到其他破坏类型发展至完全丧失工作性一种破坏类型 组合构件的变形性能与其界面粘结滑移特性有关 为了考虑粘结滑移的影响 需要引入 较为复杂的粘结滑移本构模型 这对计算和分析带来了极大的困难 实际结构中常用的组合 构件 多配置足够的抗剪连接件或其他约束粘结滑移的构造措施 保证组合构件材料之间的 协同工作性能 因此 为了使本研究由浅入深 循序渐进地进行 本课题暂且不考虑粘结滑 移破坏的影响 综上所述 本课题将采用弯曲破坏 剪切破坏 弯剪破坏 耦合破坏 三种破坏对于型 钢混凝土的破坏类型进行描述 3 3 确定型钢混凝土构件的变形性能指标限值确定型钢混凝土构件的变形性能指标限值 构件变形指标可以是构件的位移角和弯曲转角 对于延性弯曲构件 位移角和弯曲转角 是对变形的不同度量形式 其中弯曲转角物理意义更为明确 与截面弯矩的关系也更清晰 但是弯曲转角受构件的塑性区长度影响显著 而位移角则与塑性区长度的选择无关 因此本 课题拟优先选用位移角作为组合构件变形性能指标 收集已有的组合构件试验数据 组合构件试验数据库 补充组合构件试验数据 研究组合构件的变形和承载力指标 设计批量的组合构件数值 仿真试验方案 ABAQUS数值仿真模拟 对比校核 研究组合构件材料 粘结界面 在加载过程中的损伤程度 对比分析 5个性能水准对应的组合构件 变形性能和承载力指标限值 构件破坏类型判别规则构件破坏类型判别规则 对比校核 图 2 研究分析流程图 19 基于理论研究成果 初步建立具体的材料应变范围与 5 个变形性能水准的对应关系原则 即确定构件性能水准的微观物理意义 以方便对数值仿真分析结果的分析 对收集到的组合构件试验数据和数值分析结果 首先利用概念初次判断关键影响因素和 次要影响因素 其次利用数理统计方法进行分析 确定影响结构构件破坏类型和变形性能的 关键因素 并分析确定各因素的影响水平以及各因素与构件设计参数之间的关系 保留关键 的和敏感的影响因素 忽略次要的和不敏感的影响因素 回归确定具有一定可靠度的组合构 件变形性能指标限值 并制定各类组合构件的指标限值表 在本课题开展之前 本课题组已经取得具有参考意义的钢筋混凝土梁变形性能指标 4 4 影响型钢混凝土梁变形性能的主要因素 影响型钢混凝土梁变形性能的主要因素 对于有着不同设计参数和力学条件的构件 影响其变形性能指标的因素有很多 在本课 题组进行之前 部分组员已经过对大量实验进行统计分析 拟定剪跨比 截面剪应力水平和 配钢率为主要的影响因素 其中以剪跨比为最主要的影响因素 剪跨比指构件截面弯矩与剪力和有效高度乘积的比值 既主应力与切应力之比 在其它 因素相同时 剪跨比越大 抗剪能力越小 配钢率指型钢混凝土中 型钢的面积与构件有效 面积之比 3 3 拟采取的研究方法 研究方案 可行性分析 拟采取的研究方法 研究方案 可行性分析 针对上述关键技术问题 本课题进行了充分的分析 拟采用以下具体方案来解决上述技术问 题 1 1 在在 ABAQUSABAQUS 中对于不同边界条件及加载方式采用合理建模方式中对于不同边界条件及加载方式采用合理建模方式 在课题组将采用有限元分析软件 ABAQUS 对型钢混凝土梁构件变形性能指标进行适用 性验证 为了保证验证手段的准确性 需要保证建模方式的合理性 在课题组目前已完成了 对型钢混凝土梁的简支梁式两点加载 图 3 以及悬臂梁式加载 图 4 两种建模方式 并 验证了其合理性 19 图 3 图 4 A A 简支梁式试件 简支梁式试件 S S 型 型 两点加载两点加载 PART PART 由于试件的对称性 本课题组只绘制了一半的简支梁 通过设置正确的边界条件 来达到模拟完整简支梁试件的效果 图 5 图 5 简支梁式加载建模 PROPERTY PROPERTY 混凝土材料采用塑性损伤本构模型 普通钢筋采用理想弹塑性模型如图 6 a 所示 高强钢筋采用弹塑性双斜线模型如图 6 c 所示 型钢采用弹塑性加硬化的三折线模型如 图 6 b 所示 图 6 型钢与钢筋本构 CONSTRAINTSCONSTRAINTS ANDAND BCs BCs 设置边界条件是整个建模过程中的难点 其中包含了型钢与混凝土 钢筋笼与混凝土的接触关系 铰支座的边界设置 简支梁中央截面的边界设置 位移的施加 监测点的设置等问题 对于型钢和混凝土的接触关系 本课题组采用 embedded 嵌入的方式使 其变形相互协调 以解决不考虑粘结滑移的模拟问题 而对于铰支座的边界设置 简支梁中央 截面的边界设置则较为复杂 下文将分别进行论述 支座的边界条件支座的边界条件 设置铰支座的边界条件可以分为两步进行 第一步将支座定义为刚体 第 19 二步使用恰当约束来模拟简支的作用 A 由于支座的变形状况不是本课题关心的对象 因此本课题组利用参考点将支座 定义为刚体 图 7 图 7 简支梁支座定义刚体 B 为模拟简支的作用 本课题组选择对支座的右侧面底边进行约束 约束时采用 限制 U1 U2 的约束方式 图 8 图 8 简支梁设置支座约束 简支梁中央截面的边界条件 简支梁中央截面的边界条件 设置简支梁中央截面的边界条件同样需要分两步进行 第一 步设置约束 第二步耦合位移监测点 A 由于简支梁构件的对称性 在对截面进行约束时 本课题组采用对称约束的方式 具体是对 U3 UR1 UR2 的约束 图 9 19 图 9 简支梁径中设置约束 B 耦合位移监测点时 最主要的问题是需要避免过度约束 在第一次建模时 本课 题组将整个中央截面与监测点进行 在 warning 中出现了过约束的警告 在 submit 之后生成了一个混乱的错误曲线 图 10 由于截面底部线段上的点在加载 过程 中可以近似成一种平动的关系 因此本课题组在耦合监测点时选用了截面底部线 段 图 12 此时有效的避开了截面过约束的问题 图 10 过约束产生错误的力 位移曲线 图 11 正确的力 位移曲线 图 12 设置正确的位移耦合条件 JOB 完成上述的关键边界条件设置 本课题组获得力 位移曲线 图 11 与现实中的力 位 移曲线的趋势相吻合 以此证明建模方式的准确性 B B 悬臂梁式加载 悬臂梁式加载 建模时关键位置依旧在于边界条件的设置 但相对模拟简支梁加载来说 难度下降了不少 水平位移施加点同时也充当一个位移监测点作用 图 13 底部基础梁则对整个底面进行全方位 U1 U2 U3 UR1 UR2 UR3 的约束 以此模拟构件与底部刚接的效果 图 14 从输出文件的力 位移曲线 图 15 可得 此建模方式合理 19 图 13 施加位移及检测位移 图 14 悬臂梁设置底部约束 图 15 悬臂梁加载的力 位移曲线 除简支梁两点加载 悬臂梁式加载外 常见的加载方式还有简支梁单点加载等 在课题进行中 本课题组将在已有的基础上 根据需要建立准确的模型对构件进行必要的数值分析 2 2 运用截面分析法来获取结构力运用截面分析法来获取结构力 位移曲线位移曲线 本课题在验证型钢混凝土梁的性能指标时 运用悬臂梁加载方式 图 16 进行验证 因 此截面分析法也将基于悬臂梁加载方式来进行分析 为能够更好的描述分析过程 本课程组 绘制了一个简易的截面分析法流程图 图 17 图 16 试验采用的悬臂加载方式 19 图 17 截面分析法流程 步骤 利用构件的相关信息 如构件配钢率 构件长度等 计算获得构件截面的弯矩 曲率图像 图 18 H 0 为构件的悬臂端 H1 为构件的固接端 My Mu H 2 的具体意义在 图中已有给出 当弯矩为 Mu 时 我们可以获得 Mu H 关系曲线 其斜率既为 V max 此时 My 所对应的 H 值即为 H 2 图 18 构件截面弯矩 曲率图像 步骤 V 为悬臂顶端所受的剪力 此时 V 取值范围为 0 V max 在区间内选取 n 个 V 值 n 越大 力 位移曲线更精确 步骤 A 当 V 值对应图像中 M M1 Mu 在截面弯矩 曲率图像中 我们可以获得图像 与 M M1 的 2 个交点 设左侧点交点为 1 M1 右侧交点为 1 M1 通过任意交点 19 都可以形成一个构件弯矩 曲率图像 1 左侧交点 1 M1 M 值未达到 Mu 截面弯矩 曲率图像在 1 范围内的图像即为构件的弯矩 曲率图像 0 2 右侧交点 1 M1 M 值已达到 Mu 后下降至 M1 此时过点 2 M2 1 M1 作二次曲线与点 2 M2 相切 如图 中的 虚线线段 此时获得构件弯矩 曲率图像 分别为弹性变形时的直线 线段以及弹塑性变形的虚线线段 B 当 V 值对应图像中 M Mu 时 仅可获得一个构件弯矩 曲率图像 为截面 弯矩 曲率图像的上升段 步骤 根据 M V H 获得构件高度 曲率图像 步骤 利用反函数获得构件曲率 高度图像 步骤 通过两次积分获得构件位移 高度图像 步骤 带入 H 0 获得构件顶部位移 即获得力 位移曲线上的对应点 步骤 描点连线获得构件力 位移曲线 整个截面分析若单纯使用手算 会花费大量的时间与静力 因此本课题组拟自行编写程 序 通过程序来完成截面分析的整个分析过程 编程语言拟采用 C 程序完成后 仅需导入 型钢混凝土梁的相关信息即可获得型钢混凝土梁的力 位移曲线 3 3 截面分析法的推广 截面分析法的推广 上文中叙述的截面分析法 是本课题组基于对型钢混凝土梁的悬臂加载试验来进行分析的 而对于其他加载方式下构件的性能分析 则上述截面分析法的适用性需要进一步的验证 因此 本课题组拟通过对比 ABAQUS 与截面分析法的分析结果来验证截面分析法在其余加载方式下 的适用性 4 4 型钢混凝土梁变形性能指标适用性的验证手段 型钢混凝土梁变形性能指标适用性的验证手段 为验证型钢混凝土梁变形性能指标的适用性 本课题组拟采用设计构件盲测试验来进行 适用性验证 1 首先设计少量的典型构件 利用已经取得的构件变形性能指标限值表 预测设计构件的 性能指标限值 19 2 然后对典型构件进行结构试验得到真实的构件性能指标限值 3 最后对比分析判断结果的适用性和准确性 1 如果多个构件的预测结果和试验结果误差超限 则证明该表格实用性极差甚至是错 误的 应分别检查试验和表格 分析预测失败的原因 2 如果仅有少数构件的预测结果与试验结果误差超限 则证明表格具有一定的适用性 和准确性 应该充分分析表格和试验 分析少数试件预测失败的原因 对表格进行 修正或进行更多的结构试验验证 3 如果全部构件预测结果误差均未超限 则证明该表格具有较强的适用性和准确性 此时即可认定已经取得的构件变形性能指标限值具有足够的工程应用的准确性和适 用性 本课题拟在对指标限值验证的同时 进行数值盲测试验对比验证 若实验室未达到试验 条件 本课题组将收集型钢混凝土的相关文献 通过数值分析结果与文献中的结果相比对 观察破坏的发生位置 破坏的发展方式是否与文献描述一致 以此来验证型钢混凝土梁指标 的适用性 数值模拟试验实验室试验 ABAQUS实验室 提供材料参数 预测试验过程和试验结果 数值模拟结果 给定盲测试验的加载参数和构件物理力学参数 构件试验结果 预测构件的破坏类型数值模拟破坏类型构件试验破坏类型 预测构件抗震性能水准限值数值模拟性能水准限值构件试验性能水准限