混凝土结构非线性分析课程报告

混凝土结构非线性分析课程报告姓名：学号：混凝土结构非线性分析课程报告2目录1、结构非线性分析简介....................................11．1结构线性分析与非线性分析的区别...................11．2非线性行为的原因.................................11．3非线性结构有限元分析中应注意的问题...............31.4钢筋混凝土结构非线性分析的意义...................42、混凝土结构非线性相关研究..............................52.1基于ABAQUS纤维梁单元的钢筋混凝土柱受力破坏全过程数值模拟................................................53、预应力混凝土结构非线性相关研究........................83．1预应力混凝土结构非线性有限元分析.................83.2预应力混凝土结构组合式非线性分析模型.............114、桥梁结构非线性相关研究...............................134．1钢筋混凝土纤维梁柱单元实用模拟平台..............134．2预应力混凝土薄壁高墩刚构桥梁极限承载力分析......165、总结与展望...........................................18参考文献................................................20混凝土结构非线性分析课程报告11、结构非线性分析简介1．1结构线性分析与非线性分析的区别线性分析在结构方面就是指应力应变曲线刚开始的弹性部分，也就是没有达到应力屈服点的结构分析非线性分析包括状态非线性，几何非线性，以及材料非线性结构线性分析与非线性分析的区别类型线性分析非线性分析结构属性结构属性（刚度、阻尼等）在分析中是恒定的结构属性随时间、变形和荷载而变化。并与用户定义的属性、荷载及指定的分析参数有关初始状态分析从零应力状态开始，即使是用到了先前的非线性分析的刚度分析可以从一个先前的非线性分析继续，初始状态为先前分析的所有荷载、变形、应力等结构响应所有的结构响应，如位移、内力、应力等直接与荷载成正比。不同线性分析结果可以叠加因结构属性可能发生变化，而且可能有初始非零应力状态，所以响应与荷载可能不成正比。不同的非线性分析结果一般不能叠加两者之间的区别其实很多，不过两个关键，一个是材料定义的时候不同，（材料属性根据需要设置，静力学分析一般只要弹性模量和泊松比，如果考虑体载荷或动力学分析还需要定义密度）。另一个就是在求解设置选项的时候不同，因为非线性一般存在收敛困难的问题。1．2非线性行为的原因引起结构非线性的原因很多，主要可分为以下3种类型。（1）状态变化（包括接触）许多普通结构表现出一种与状态相关的非线性行为。例如，一根混凝土结构非线性分析课程报告2只能拉伸的电缆可能是松弛的，也可能是绷紧的；轴承套可能是接触的，也可能是不接触的；冻土可能是冻结的，也可能是融化的。这些系统的刚度由于系统状态的改变而突然变化。状态改变或许和载荷直接有关（如在电缆情况中），也可能是由某种外部原因引起的（如在冻土中的紊乱热力学条件）。接触是一种很普遍的非线性行为，接触是状态变化非线性类型中一个特殊而重要的子集。（2）几何非线性结构如果经受大变形，其变化的几何形状可能会引起结构的非线性响应。如图5.2所示的钓鱼杆，在轻微的载荷作用下，会产生很大的变形。随着垂向载荷的增加，杆不断弯曲导致动力臂明显减少，致使杆在较高载荷下刚度不断增加。（3）材料非线性结构非线性中，最典型的分析是材料非线性（由于材料本身非线性的应力-应变关系导致的结构响应非线性叫材料非线性。除了材料本身固有的应力-应变关系外，加载过程的不同，机构所处的环境的变化均可导致材料的应力应变的非线性）材料非线性包括弹塑性分析，蠕变分析，超弹性分析，弹塑性分析。混凝土结构非线性分析课程报告31．3非线性结构有限元分析中应注意的问题1.因为非线性，查看某个单独荷载的作用结果无意义。应将各种荷载放在同一种工况下进行分析。2.在做几何非线性分析时，尽量不要使用释放梁端约束功能。建议在需要释放梁端约束的节点位置建立两个节点，节点间用弹性连接连接，在需要释放约束的方向不输入刚度值即可。几何非线性分析中不推荐使用释放梁端约束的原因如下：a.几何非线性分析中的单元几何刚度是使用节点的坐标计算的(不断修正)。b.释放梁端约束后，因为梁单元的端部节点和另一个单元的节点共享一个节点，单元的位移和节点的位移会有不一致的问题，从而造成几何非线性分析不容易收敛。3.几何非线性分析和P-delta分析不能同时进行，几何非线性分析属于大位移分析，P-delta分析属于小位移分析，做几何非线性分析时不必再做P-delta分析。如果用户这两个分析都要做，建议另存模型后分别分析。4.几何非线性分析中采用的方法有TL法、UL法、CR法等。5.几何非线性分析中适用的单元有桁架(包括索)、梁单元、平面应力单元、板单元，如果与其他单元(如实体单元)混合使用时，只能考虑其他单元的刚度效应，不能考虑其他单元的几何非线性效应。6.施工阶段分析可同时考虑非线性累加模型和收缩和徐变分析，即非线性分析的累加模型可以考虑收缩和徐变。混凝土结构非线性分析课程报告41.4钢筋混凝土结构非线性分析的意义(1)由于钢筋和混凝土的抗拉强度相差很大，钢筋混凝土结构在正常使用状态下，大部分受弯构件部已经开裂而进入非线性状态，但钢筋并未屈服仍在弹性状态下工作，因此，作为一个结构或构件来说，必然是在非线性状态下工作，这时用弹性分析方法求得纳结构内力和变形就不能反映结构的实际工作状态。(2)混凝土和钢筋在一个结构中共同工作的条件是两者之间的变形协调，没有相对滑移，但实际上，这种条件并不能完全满足，特别是在反复荷载下，光圆钢筋与混凝土之间的粘结往往会破坏，某些情况下，会导致变形过大，而传统的线弹性结构分桥不能反映这些现象。(3)在钢筋混凝土结构的设计中，在内力分析时，往往按弹性计算，而在构件截面设计时，却按极限状态进行计算，其结果是内力分析和截面设计的结果都不能反映结构的实际受力状态，造成了钢筋混凝土结构内力分析和截面设计的严重脱节。(4)与其他任何形式的结构一样，节点和连接是保证钢筋混凝土结构能作为一个复杂体系承受外力的基本条件，而传统的弹性结构分析时将节点理想化为刚接(例如框架)或者铵接(例如衍架)均不能反映节点的复杂受力状态和变形情况，从而难以为设计提供正确的信息。(5)在长期荷载作用下，混凝土会产生一定的徐变变形，这时，结构的内力和变形就发生了变化，按弹性分析求得的内力和变形就不能反映实际情况了。混凝土结构非线性分析课程报告52、混凝土结构非线性相关研究2.1基于ABAQUS纤维梁单元的钢筋混凝土柱受力破坏全过程数值模拟研究机构：沈阳建筑大学．华夏幸福基业股份有限公司项目简介1、关键词:钢筋混凝土柱;纤维梁单元;单轴本构模型;破坏准则;单元消除;显式动力2、研究方法：基于有限元软件ABAQUS的显式求解模块Explicit，研究了钢筋混凝土梁柱构件纤维梁单元的构型及其单元消除技术，构建了包含材料破坏准则的钢筋、混凝土单轴本构关系，并利用用户材料接口VUMAT编制了相应的计算子程序。为验证上述方法的合理性和正确性，本文对轴压与侧向往复加载下钢筋混凝土柱构件的受力破坏全过程进行了数值模拟。3、实例分析本文首先模拟了钢筋混凝土柱试件TP74在两种不同工况下的受力破坏全过程。有限元建模时将构件等分为5个单元，并将保护层混凝土、钢筋的箱型截面各划分为16个纤维，核心混凝土的矩形截面划分为25个纤维。图10为在试验加载幅值60mm范围内，试件计算所得与实测滞回混凝土结构非线性分析课程报告6曲线的对比。可以看出，计算曲线与实测曲线基本吻合，能够较好地模拟钢筋混凝土柱的承载力、刚度变化以及滞回捏拢行为，但在加载位移幅值较大时计算曲线较实测曲线略显丰满，且对强度退化现象反映不足。这可能是由于下述原因造成:①试验中每级荷载均加载三次，计算时只加载一次，因此对混凝土的累积破坏效应反映不足;②计算中未考虑钢筋的黏结滑移与屈曲;③计算中钢筋本构关系与实际的钢筋应力-应变关系有一定的差别。总体而言，基于B31梁单元并采用本文建立的混凝土、钢筋单轴本构关系能够较为准确地模拟构件在压-弯荷载共同作用下的非线性性能发展过程。混凝土结构非线性分析课程报告74、结论(1)采用基于梁单元建立的混凝土、钢筋单轴本构关系，可以较为准确地模拟钢筋混凝土柱构件在压-弯荷载共同作用下的非线性性能发展过程。(2)单元消除(杀死)技术能够简单、合理地描述构件由连续体变为非连续体的断裂破坏过程，是采用有限单元法模拟结构倒塌过程时的一种有效手段。(3)本文构建的材料单轴本构关系和破坏准则能够细致地描述梁柱构件受力过程中截面的内力变化情况，准确地模拟单个纤维的破坏与构件截面的渐进破坏过程。(4)对于非线性性态发展较为强烈的结构构件的模拟分析，考虑材料失效(破坏准则)可以更为准确、细致地描述因局部材料破坏造成的构件承载能力下降、耗能能力衰减等现象。(5)本文方法对于钢筋混凝土柱构件的模拟结果与其在真实受混凝土结构非线性分析课程报告8力状态下的破坏形态相吻合，较好地描述了钢筋混凝土柱构件的断裂破坏过程以及残余构件的运动状态。本文方法可用于钢筋混凝土框架结构在强震下倒塌全过程的模拟分析。3、预应力混凝土结构非线性相关研究3．1预应力混凝土结构非线性有限元分析研究机构：同济大学结构工程与防灾研究所1、关键词:预应力混凝土;有限元法;非线性分析2、研究方法：提出了能反映预应力钢筋与混凝土间相对滑移的新型单元模型,该模型可将无粘结预应力筋对结构的作用直接反映在单元模型内,从而免去迭代试算过程。将该模型与混凝土、钢筋模型相结合,所建立的材料和几何非线性分析程序能模拟预应力钢筋张拉,进行预应力混凝土结构从开裂至破坏的全过程分析。文章最后给出了预应力混凝土连续梁的有限元分析实例,对所提模型的正确性和可应用性进行了验证。3、实例分析计算过程首先模拟预应力筋张拉和锚固滑移,在预应力筋左端加T=70kN张力,然后在反方向加T的6%,模拟锚固滑移损失。张拉完成后的混凝土梁变形及预应力筋应力分别如图3a和图5所示,预应力筋应力值在1033MPa至1087MPa之间,试验值为1041MPa。张混凝土结构非线性分析课程报告9拉完成后,对预应力筋进行灌浆粘合,预应力筋单元换成有粘结单元。张拉完成至试验加载大致为28天,根据计算钢筋松弛、混凝土收缩和徐变所引起的预应力筋应力值损失在10%左右。混凝土梁的最终变形和破坏形态分别如图3b及图3c所示,图4为荷载与跨中挠度关系曲线。图1.试验模型图2.计算模型混凝土结构非线性分析课程报告10图3.分析模型受力变形和破坏形态图4.荷载-跨中挠度图5.有粘结预应力筋应力分布图6.无粘结预应力筋应力分布混凝土结构非线性分析课程报告114、结论本文提出了预应力钢筋与混凝土间相对滑移和相互作用的预应力筋单元模型,可用来模拟预应力钢筋的施工张拉和无粘结预应力混凝土的计算分析,免去了以往模型中预应力传递计算的迭代试算过程。结合该模型及混凝土、钢筋单元模型建立的预应力混凝土结构非线性分析有限元模型能反映结构的材料和几何非线性,以及预应力混凝土结构所特有的预应力筋松弛、混凝土收缩和徐变等因素;可对由张拉时的摩擦、随时间变化的预应力筋松弛和混凝土徐变所造成的预应力损失进行较为细致的分析计算;可模拟有粘结或无粘结预应力混凝土结构从张拉施工、加载后开裂至破坏的全过程;可得到预应力筋的应力变化和应力分布的较为详细的分析结果。本文的分析实例所得到计算结果与试验吻合良好,验证了所提模型的正确性和可应用性。3.2预应力混凝土结构组合式非线性分析模型研究