方钢管混凝土压弯构件截面非线性分析(精)

带内隔板的方钢管混凝土柱-钢梁节点受力性能的非线性有限元分析周天华1，郭彦利1，卢林枫1，何保康2， （1.长安大学，陕西西安710061； 2. 西安建筑科技大学，陕西西安710055；）Email: zhouth163@摘要：本文利用三维实体单元，对“带内隔板方钢管混凝土柱-钢梁节点”建立了同时考虑几何非线性、高强螺栓连接的面—面接触非线性、各种材料非线性等因素的有限元理论分析模型，模拟分析了单调加载和低周反复加载时节点的受力性能，较为精确地分析了节点区应力分布和混凝土开裂情况，以弥补试验中无法直观地了解各细部受力情况和改变各种参数进行对比的缺陷；考察了轴压比大小、混凝土强度等因素对节点受力性能的影响，根据理论与试验结果分析，提出了设计和改进建议。

关键词： 方钢管混凝土柱；梁柱节点；受力性能；非线性有限元1 前言方钢管混凝土柱-工形钢梁框架结构以其诸多优点在国内已开始推广应用，带内隔板的矩形钢管混凝土柱与钢梁连接的节点构造已被我国《矩形钢管混凝土结构技术规程》 [1]列为推荐形式，针对这种构造形式的节点：1999~2002年同济大学做了方钢管混凝土柱与钢梁全焊接连接的模型试验和理论研究，包括模拟柱与梁的受拉翼缘连接的十字形单调拉伸试验、柱与梁连接的组合体试件的低周反复加载试验[2，3]；2001~2004年本项目以杭萧钢构股份有限公司的国家重点技术创新项目—“高层建筑钢—混凝土组合结构产业化”及杭州瑞丰国际商务大厦试点工程为背景，在国内首次进行了6个带内隔板的梁柱节点的足尺模型的拟静力试验和理论研究[4，5]。

本文利用ANSYS通用程序，建立同时考虑大变形的几何非线性、高强螺栓连接的面—面接触非线性、材料非线性等三重非线性因素的有限元理论分析模型，通过合理的单元选取和网格划分，结合试验研究[4]对梁柱对接焊接、栓焊连接两类节点模拟分析单调加载和低周反复荷载作用下的受力性能，以期达到如下目的：（1）较为精确地分析节点区应力分布，弥补试验中无法直观地了解各细部受力情况和改变各种参数进行对比的缺陷，（2）考察轴压比大小、混凝土强度等级变化等因素对节点单调加载及滞回性能的影响，（3）提出节点设计初步建议。

混凝土结构的非线性分析与设计一、绪论混凝土结构是现代建筑中应用最广泛的结构形式之一，其具有强度高、耐久性好、施工方便等优点。

但在实际工程中，混凝土结构受到外力作用而产生的非线性响应问题已经成为一个研究热点。

本文旨在介绍混凝土结构的非线性分析与设计方法。

二、混凝土材料力学性质的分析混凝土材料的力学性质是非线性的，其应力-应变关系不符合胡克定律。

因此，在进行混凝土结构的非线性分析与设计时，需要对混凝土材料的力学性质进行分析。

1.混凝土材料的本构模型混凝土材料的本构模型是描述混凝土材料应力-应变关系的数学模型。

目前常用的混凝土材料本构模型有双曲线模型、抛物线模型、三次多项式模型等。

2.混凝土的损伤力学混凝土在受到外力作用时，会产生裂缝和微观损伤。

混凝土的损伤力学是研究混凝土在受力作用下的损伤演化规律和损伤对力学性质的影响。

三、混凝土结构的非线性分析方法混凝土结构在受到外力作用时，由于混凝土材料的非线性特性，其响应也是非线性的。

因此，需要采用一些特殊的非线性分析方法来进行分析。

1.有限元法有限元法是目前最常用的混凝土结构非线性分析方法。

有限元法的基本思想是将整个结构分割成许多小的单元，通过计算每个单元的应力-应变关系来得到整个结构的响应。

2.离散元法离散元法是一种适用于研究颗粒材料行为的方法。

它将问题离散化为许多小的颗粒，并通过计算颗粒间的相互作用来得到整个结构的响应。

3.模型试验法模型试验法是通过建立一个与实际结构尺寸相似的模型进行试验，得到结构的力学性质。

这种方法具有试验结果可靠、直观等优点，但是需要注意模型与实际结构的相似性。

四、混凝土结构的非线性设计方法混凝土结构的非线性设计是指在考虑混凝土材料非线性特性的基础上，进行混凝土结构的设计。

1.承载力设计法承载力设计法是指在混凝土结构达到破坏状态之前，其承载力必须满足规定的要求。

这种设计方法适用于规范中没有明确规定非线性分析方法的情况。

2.变形控制设计法变形控制设计法是指在混凝土结构达到一定变形或裂缝宽度之前，其承载力必须满足规定的要求。

混凝土结构的非线性分析与设计方法研究一、引言混凝土结构是建筑工程中常用的一种结构形式，其受力性能具有一定的非线性特征，因此在设计和分析过程中需要考虑非线性因素的影响。

本文旨在系统地介绍混凝土结构的非线性分析与设计方法，为工程实践提供指导。

二、混凝土结构的非线性特征混凝土结构的非线性特征主要表现在以下几个方面：1. 材料的非线性：混凝土在受力过程中出现的裂缝和变形引起了材料的非线性，主要表现为弹性模量的变化、抗拉强度的降低和应力-应变曲线的非线性。

2. 几何的非线性：混凝土结构在受力过程中由于体积不变性原理的限制，会发生几何非线性，主要表现为结构的变形、曲率和截面变形等。

3. 边界的非线性：混凝土结构在受力过程中受到边界条件的限制，如支座、约束等，这些限制会引起边界的非线性。

三、混凝土结构的非线性分析方法混凝土结构的非线性分析方法主要有以下几种：1. 静力分析法：静力分析法是通过对结构进行静力分析，确定结构的稳定性和受力性能，从而得到结构的应力、应变分布等参数。

静力分析法适用于简单结构或者是初始应力状态比较简单的结构。

2. 弹塑性分析法：弹塑性分析法是将结构看作是由弹性和塑性两个阶段组成的，通过确定结构在弹性和塑性状态下的应力、应变分布等参数，来分析结构的受力性能。

3. 非线性分析法：非线性分析法是将结构看作是一个非线性系统，通过考虑结构的材料、几何和边界的非线性特征，来分析结构的受力性能。

非线性分析法可以分为几何非线性分析和材料非线性分析两类。

四、混凝土结构的非线性设计方法混凝土结构的非线性设计方法主要包括以下几个方面：1. 材料的设计：在混凝土结构的设计过程中，需要对混凝土的材料特性进行设计，包括混凝土的强度、抗裂性能、变形能力等。

2. 结构的设计：在混凝土结构的设计过程中，需要对结构的几何形状进行设计，包括结构的截面形状、荷载分布、支座约束等。

3. 受力性能的设计：在混凝土结构的设计过程中，需要对结构的受力性能进行设计，包括结构的稳定性、耐久性、抗震能力等。

钢筋混凝土构件的非线性分析共3篇钢筋混凝土构件的非线性分析1钢筋混凝土结构是目前建筑工程领域广泛使用的一种结构形式，其具有耐久性、抗震性能强等优点，但其计算分析复杂，涉及到多种力学学科，需进行非线性分析。

非线性分析是分析钢筋混凝土构件的重要方法，下文将对其进行简单介绍。

1、非线性分析的定义非线性分析是指在一定条件下，构件内力状态随荷载变化时其力学性质不再满足线性叠加原理的分析方法。

主要用于分析结构的大变形、失稳、损伤和破坏等非线性现象。

钢筋混凝土结构中，材料非线性和几何非线性都是不可避免的。

2、非线性分析的方法（1）强度理论法：可通过等效杆件法、等效剪力力法、材料上限强度理论等方法进行分析。

（2）框架假设法：假定构件为刚性框架或弹性支撑中的非刚性框架，分析其在大变形、破坏时的应力、应变分布。

（3）有限元法：将构件分解成小单元，以小单元为计算对象进行分析，求解各节点的位移、应力、应变等参数，再用插值方法计算全体结构的响应。

（4）迭代法：通过迭代计算得到不同荷载情况下的构件位移、刚度、应力、应变等参数，得到荷载位移曲线和承载力-变形曲线等。

3、非线性分析中需要考虑的因素（1）材料非线性：结构中的混凝土和钢筋等材料，在受到荷载后会表现出惯性效应和非线性效应，如混凝土的非线性变形、裂缝形成和扩展等。

（2）几何非线性：构件的初始几何形状和变形后的几何形状会影响内力及其分布，如大变形，杆的损伤等。

钢筋混凝土结构本身就有大变形的特点。

（3）荷载非线性：荷载不是稳定的，而是由很多因素综合作用产生的非线性荷载，如地震、爆炸、车辆行驶等荷载。

4、非线性分析的作用非线性分析是深入理解结构行为、提高结构设计质量和可靠性的有效手段。

可以对结构进行全过程检验和多次筛选，提供设计优化方案，合理地控制结构建造成本，保证结构的耐久性和安全性，同时适用于结构加固和改造等工程领域。

总之，非线性分析是建筑工程领域中一种非常重要的分析方法，对于钢筋混凝土构件的设计、优化、改造都具有重要意义。

第三章 钢筋混凝土弯压构件截面非线性分析§3.1 实验研究图3-1 钢筋混凝土梁试验几何关系：截面上的应变与距中性轴的距离成正比——中性轴位置变化图3-2 截面中性轴位置的变化图3-3 钢筋混凝土受弯构件截面的六个应力状态t <ε εt u ε s εs =f y > ε y > εy εc u I I aII aIII aIIIII图3-4 钢筋混凝土梁截面极限状态下应力-应变分布图3-5a 梁跨中弯矩-挠度曲线 图3-5b 跨中截面弯矩-曲率曲线图3-5梁跨中截面弯矩-相对受压区高度关系曲线0.40.60.81.0M crM yM u 0fM/M uf cr f y f u habA shx nε cε sf0.40.60.81.0M crM yM u 0M/M u0.50.40.30.20.1x n =x n /h 00.40.60.81.0ⅠaⅡaⅢaⅠⅡⅢM crM yM u 0fM/M u§3.2 受弯构件正截面分析线性与非线性比较（1）受弯构件截面线性分析的基本思路图3-7 材料力学理论应力分析方法几何关系：截面上的应变与距形心轴的距离成正比——中性轴位置固定0y εεf =+y ——计算应变点到截面形心轴的距离物理关系：应力-应变关系为线弹性0()E E y σεεf ==+平衡条件：22223222022d ()d d d 12hh h h h h h h M b y y E y b y ybh E b y y E b y y E σεf εf f----==+=+=⎰⎰⎰⎰（2） 钢筋混凝土受弯构件正截面非线性分析的基本思路图3-8 钢筋混凝土截面根据平截面假定，y x h y x y nsnc-+=+=+=0000εεεεf εεy ——计算应变点的坐标sx nh 0A s bεt opεbotfyε xhA byε0物理关系：应力-应变关系为非线性 钢筋：弹全塑性关系εσs s E =， 当s y y E f =≤εεy s f =σ， 当y εε>混凝土：我国规范建议的全曲线分为上升段和水平段。

作业3：对一压弯钢筋混凝土或预应力混凝土构件进行全过程分析。

答：预应力钢筋混凝土构件的全过程分析1. 计算假定1）平截面假定梁正截面变形后仍保持平面，截面应变为直线分布，不考虑钢筋与混凝土之间的相对位移。

从理论上来讲平截面假定仅适用于跨高比较大的连续均质弹性材料的构件。

对由混凝土及钢筋组成的构件，由于材料的非均质性，以及混凝土开裂，特别是在纵筋屈服，受压区高度减小而临近破坏的阶段，在开裂截面上的平截面假定已不能适用。

但是，考虑到构件破坏是产生在某一区段长度内的，而且试验结果表明，只要应变量测标距有一定长度，量测的截面平均应变值从加荷开始直到构件破坏，都能较好地符合平截面假定。

2）钢筋的应力-应变关系应采用单向加载下，反复加载下的不同情况而定。

3）混凝土应力-应变关系选用单轴作用下的混凝土本构关系模型，且在混凝土的受压区带有下降段。

4）不考虑剪切变形的影响。

且假设在加载过程中，构件不会被剪坏。

5）2.编程计算举例6） 1）计算构件及计算简图7）预应力钢筋混凝土梁截面配筋及计算简图如下所示，混凝土等级为C30，抗压强度为20.1ck f M Pa =，抗拉强度为 2.01tk f M Pa =。

钢筋等级为HRB335，屈服强度335yk f M P a =,先张法预应力钢筋初始张拉力为200kN 。

2)计算程序程序采用C 语言编写。

采用分级加荷载，先假设某一截面的应变，然后根据这个应变迭代求对应的受压区高度，从而求得此状态的弯矩，拿这个弯矩与实际外弯矩比较，看是否满足精度要求，不满足则用二分法改变假设的截面…,直到迭代出的弯矩与外弯矩只差达到一定的精度，再进行下一个截面的迭代，直到把半个构件长的截面迭代完。

而在每一个截面迭代完可以求出该截面的曲率，从而根据共轭梁法可以求出该外弯矩下构件中点的挠度，并求出该外弯矩对应的外荷载。

至此，该外弯矩下的计算完成，对该外弯矩加一增量转入下一次计算…。

具体程序如下：#include "stdio.h"#include "conio.h"#include<math.h>main(){FILE *fs1;FILE *fs2;int n=200,d1,d2,d3,n0,n1,n2,n3,i,j,k,m=1,nl=300 ;（构件分成300段，截面分成200份。

混凝土梁的非线性分析与设计方法研究一、前言混凝土梁是建筑结构中常见的构件之一，其在承受荷载时会发生非线性行为。

因此，对混凝土梁进行非线性分析和设计是必要的。

本文将对混凝土梁的非线性分析和设计方法进行研究和探讨。

二、混凝土梁的非线性行为混凝土梁在受力过程中会发生非线性行为，主要表现为以下几个方面：1. 压缩区域的非线性当混凝土梁受到压缩力时，混凝土中的微裂缝会逐渐扩展，最终导致混凝土的破坏。

因此，混凝土的压缩行为是非线性的。

2. 弯曲区域的非线性当混凝土梁受到弯曲力时，弯曲区域内的混凝土会发生压缩和拉伸。

由于混凝土的拉伸强度较低，因此在弯曲区域中混凝土的应力应变关系是非线性的。

3. 剪切区域的非线性当混凝土梁受到剪切力时，剪切区域内的混凝土会发生剪切变形。

由于混凝土的剪切强度较低，因此在剪切区域中混凝土的应力应变关系也是非线性的。

三、混凝土梁的非线性分析方法针对混凝土梁的非线性行为，可以采用以下两种方法进行非线性分析：1. 基于力学理论的方法基于力学理论的非线性分析方法，主要分为两种：塑性分析和损伤分析。

塑性分析方法主要考虑混凝土的塑性变形，而损伤分析方法则考虑混凝土的损伤过程。

2. 基于数值计算的方法基于数值计算的非线性分析方法，可以采用有限元方法进行模拟计算。

由于有限元方法可以考虑材料的非线性行为和构件的几何非线性行为，因此在混凝土梁的非线性分析中得到了广泛的应用。

四、混凝土梁的设计方法混凝土梁的设计方法主要包括以下几个方面：1. 截面设计混凝土梁的截面设计应考虑截面受拉区域、受压区域和剪切区域的强度。

在截面设计中，应采用合适的钢筋配筋方案，以提高混凝土梁的承载能力。

2. 弯矩设计混凝土梁的弯矩设计应考虑截面受弯时的应力状态和应变状态，以保证混凝土梁的弯曲承载能力。

3. 剪力设计混凝土梁的剪力设计应考虑截面受剪时的应力状态和应变状态，以保证混凝土梁的剪切承载能力。

4. 端部设计混凝土梁的端部设计应考虑混凝土梁与支座的连接方式和端部受力状态，以保证混凝土梁的端部承载能力。