基于夾芯層分層殼單元的混凝土結(jié)構(gòu)受力分析方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于現(xiàn)誘混凝±空屯、樓板、空屯、剪力墻、復(fù)合墻板結(jié)構(gòu)W及配筋擱塊擱體 剪力墻等一系列夾巧混凝上墻或板結(jié)構(gòu)的靜動力彈塑性分析技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于 夾巧層分層殼單元的混凝±結(jié)構(gòu)受力分析方法及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)誘混凝±空屯、樓板、空屯、剪力墻、復(fù)合墻板結(jié)構(gòu)W及配筋擱塊擱體剪力墻等一 系列夾巧混凝±墻或板結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部因存在不連續(xù)的圓洞或方洞，導(dǎo)致其內(nèi)部受力異常復(fù) 雜，尤其是其彈塑性力學(xué)行為很難被準(zhǔn)確高效的計算出來。
[0003] 當(dāng)前，實體單元精細(xì)化建模，盡管能準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的裂縫、鋼筋屈服等非線性力學(xué) 行為，但要求單元數(shù)量多，計算效率低，很難用于整體結(jié)構(gòu)的大規(guī)模靜動力彈塑性分析。W 等效梁模型、=垂直桿元模型為代表的宏觀分析方法，盡管計算效率高，但無法深入構(gòu)件截 面內(nèi)部展現(xiàn)構(gòu)件損傷的具體位置及大小，無法滿足計算精度要求。
[0004] 因此，亟待采用一種新型的有限元分析單元，使其可W解決夾巧混凝上結(jié)構(gòu)的大 規(guī)模快速準(zhǔn)確計算，適用實際工程的靜動力彈塑性分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的之一在于提供一種基于夾巧層分層殼單元的混凝±結(jié)構(gòu)受力分析 方法，該方法可快速準(zhǔn)確的實現(xiàn)現(xiàn)誘混凝±空屯、樓板、空屯、剪力墻、復(fù)合墻板結(jié)構(gòu)W及配筋 擱塊擱體剪力墻等一系列夾巧（空屯、或填巧孔洞）混凝±墻或板結(jié)構(gòu)的靜動力彈塑性分 析。
[0006] 本發(fā)明基于夾巧層分層殼單元的混凝±結(jié)構(gòu)受力分析方法，包括如下順序的步 驟：
[0007] (1)W筒狀巧為例，分別采集夾巧混凝上構(gòu)件的截面寬度B和高度H，夾巧孔洞半 徑r、孔洞數(shù)n，夾巧材料彈性模量E、泊松比y及本構(gòu)模型基本力學(xué)參數(shù)；
[000引 （2)設(shè)置兩條且對稱于截面中性軸的連續(xù)夾巧條帶層W等效實際構(gòu)件截面中非連 續(xù)的夾巧孔洞層，建立夾巧層分層殼單元；
[0009] 做根據(jù)步驟（1)采集到的B、H、rW及n參數(shù)，由面積相等原則，建立W下等式：
[0010] n3ir'= 2Bh (1);
[0011] 根據(jù)抗彎剛度相等原則，建立W下等式：
[0012]
(2)；
[001引由式（1)~似求解，可得夾巧層厚度h和距中性軸距離X:
[0014]
(3);
[0015] (4)基于分層殼單元原理，根據(jù)連續(xù)夾巧層厚度h和距中性軸距離X對夾巧混凝± 墻或板構(gòu)件沿厚度方向進行層劃分，確定夾巧層、混凝±層和鋼筋層數(shù)量、厚度W及在厚度 方向上的具體位置；
[0016] (5)根據(jù)實際夾巧材料彈性模量E、泊松比y及本構(gòu)模型基本力學(xué)參數(shù)設(shè)置分層 殼單元中夾巧層材料屬性，對實際為空屯、孔洞的通過將夾巧層彈性模量設(shè)置為相對很小的 數(shù)值予W考慮，比如按混凝±彈性模量的1%考慮；
[0017] (6)根據(jù)實際夾巧，空屯、或填巧孔洞的混凝±墻或板構(gòu)件受力情況，建立基于夾巧 層分層殼單元的有限元分析模型，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的靜動力彈塑性分析。
[0018] 本發(fā)明的目的之二在于提供上述基于夾巧層分層殼單元的混凝±結(jié)構(gòu)受力分析 方法的應(yīng)用，該應(yīng)用是；對大型通用有限元商業(yè)軟件中分層殼單元進行相關(guān)等效計算后，使 用或編制相關(guān)子程序模塊嵌套于大型通用有限元商業(yè)軟件中后使用。
[0019] 本發(fā)明的有益效果是；提供了一種適用于現(xiàn)誘混凝±空屯、樓板、空屯、剪力墻、復(fù)合 墻板結(jié)構(gòu)W及配筋擱塊擱體剪力墻等一系列夾巧（空屯、或填巧孔洞）混凝±墻或板結(jié)構(gòu)的 夾巧層分層殼單元。該單元不僅能高效準(zhǔn)確的實現(xiàn)大規(guī)模夾巧混凝±結(jié)構(gòu)靜動力彈塑性分 析，而且能深入混凝±構(gòu)件內(nèi)部全面反映夾巧混凝±構(gòu)件內(nèi)部的鋼筋、混凝±^及夾巧層 的非線性受力性能，徹底解決了目前大型夾巧混凝±結(jié)構(gòu)普遍存在的難W被高效準(zhǔn)確計算 的問題。
【附圖說明】
[0020] 圖1是夾巧混凝±結(jié)構(gòu)實際夾巧孔洞分布俯視圖。
[0021] 圖2是圖1中的1-1剖面圖。
[0022] 圖3是圖2的夾巧層等效示意圖。
[0023] 圖4是本發(fā)明實施例的現(xiàn)誘混凝±空屯、板層夾屯、層殼單元示意圖。
[0024] 圖5是用于程序計算的夾巧層分層殼單元示意圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的描述。
[0026] 參見圖1至圖3,本發(fā)明基于夾巧層分層殼單元的混凝±結(jié)構(gòu)受力分析方法，包括 如下步驟：
[0027] 步驟一：分別采集夾巧混凝±結(jié)構(gòu)構(gòu)件寬度B和高度H，孔洞半徑r(W筒狀孔洞 為例），孔洞數(shù)n。
[002引步驟二；設(shè)置兩條且對稱分布于截面中性軸1的連續(xù)夾巧條帶層2W等效實際構(gòu) 件截面中非連續(xù)的夾巧孔洞，建立夾巧層分層殼單元；將夾巧混凝±中復(fù)雜非連續(xù)的夾巧 孔洞根據(jù)面積和抗彎剛度原則等效為兩條對稱于構(gòu)件截面中性軸1的連續(xù)夾巧條帶層2， 從而使得結(jié)構(gòu)靜動力彈塑性分析時，不僅計算效率大大提高，而且精度也有保證，解決了目 前夾巧混凝±結(jié)構(gòu)大規(guī)模靜動力彈塑性分析無法實現(xiàn)計算的難題。圖中，3為鋼筋層。
[0029] 步驟S;根據(jù)步驟1采集到B、H、rW及n等參數(shù)，由面積相等原則，建立W下等式：
[0030] n3ir'= 2Bh (1)
[0031] 根據(jù)抗彎剛度相等原則，建立W下等式：
[0032]
(2)
[003引 由式（1)~似求解，可得夾巧層厚度h和距中性軸距離X :
[0034]
(3)
[0035] 步驟四；基于分層殼單元原理，根據(jù)連續(xù)夾巧層厚度h和對截面中性軸的距離X對 夾巧混凝±墻或板構(gòu)件沿厚度方向進行層劃分，確定夾巧層、混凝±層和鋼筋層數(shù)量、厚度 W及在厚度方向上的具體位置；
[0036] 步驟五；根據(jù)實際夾巧材料彈性模量E、泊松比y及本構(gòu)模型等基本力學(xué)參數(shù)設(shè) 置分層殼單元中夾巧層材料屬性，對實際為空屯、孔洞可通過將夾巧層彈性模量設(shè)置為相對 很小的數(shù)值（例如按混凝±彈性模量的1%考慮）予W考慮；對實際為空屯、孔洞的夾巧材 料，通過將夾巧層彈性模量設(shè)置為相對很小的數(shù)值予W考慮，實現(xiàn)了現(xiàn)誘混凝上空屯、樓板 和空屯、剪力墻中空屯、孔洞的高效準(zhǔn)確模擬。
[0037] 步驟六；根據(jù)實際夾巧（空屯、或填巧孔洞）混凝±墻或板等構(gòu)件受力情況，建立基 于夾巧層分層殼單元的有限元分析模型，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的靜動力彈塑性分析。
[003引下面W某單向板試驗為例，對本發(fā)明進行說明。試驗板尺寸及材料參數(shù)詳見表1。
[0039] 表1 ;某單向試驗板截面尺寸及材料參數(shù)
[0040]
[0041] 由式（3)對表1各試驗單向空屯、板進行計算，可得空屯、層厚度及距中性軸的距離， 并對混凝±空屯、樓板進行層劃分，如表2和圖4所示。其中"S"為順筒向，"H"為橫筒向， 表2中"空屯、層"距中性軸的距離是根據(jù)實際順筒或橫筒向?qū)嶋H剛度由式（3)計算得到。
[0042] 表2 ;試驗板的分層殼單元分層列表
[0043]
[0044] 目前，就工程界廣泛采用的現(xiàn)誘混凝±空屯、樓板、空屯、剪力墻、復(fù)合墻板結(jié)構(gòu)W及 配筋擱塊擱體剪力墻等一系列夾巧混凝±結(jié)構(gòu)中，實際夾巧孔洞分布在縱橫兩個方向上抗 彎剛度相差一般不超過10%，若相差過大則夾巧層分層殼單元就不再適合。
[0045] 參見圖5,本發(fā)明用于夾巧混凝±結(jié)構(gòu)受力分析的夾巧層分層殼單元，可對目前 大型通用有限元商業(yè)軟件中分層殼單元進行相關(guān)等效計算后、使用或編制相關(guān)子程序模塊 嵌套于大型通用有限元商業(yè)軟件中后使用。圖5中，X(u)，Y(v)和Z(w)為整體坐標(biāo)系； CC，n則為殼單元局部坐標(biāo)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于夾芯層分層殼單元的混凝土結(jié)構(gòu)受力分析方法，其特征在于包括如下順序 的步驟： (1) 以筒狀芯為例，分別采集夾芯混凝土構(gòu)件的截面寬度B和高度H，夾芯孔洞半徑r、 孔洞數(shù)n，夾芯材料彈性模量E、泊松比μ及本構(gòu)模型基本力學(xué)參數(shù)； (2) 設(shè)置兩條且對稱于截面中性軸的連續(xù)夾芯條帶層以等效實際構(gòu)件截面中非連續(xù)的 夾芯孔洞層，建立夾芯層分層殼單元； ⑶根據(jù)步驟⑴采集到的B、H、r以及η參數(shù)，由面積相等原則，建立以下等式： η π r2 = 2Bh (I)； 根據(jù)抗彎剛度相等原則，建立以下等式：由式（1)~（2)求解，可得夾芯層厚度h和距中性軸距離X :(4) 基于分層殼單元原理，根據(jù)連續(xù)夾芯層厚度h和距中性軸距離X對夾芯混凝土墻或 板構(gòu)件沿厚度方向進行層劃分，確定夾芯層、混凝土層和鋼筋層數(shù)量、厚度以及在厚度方向 上的具體位置； (5) 根據(jù)實際夾芯材料彈性模量E、泊松比μ及本構(gòu)模型基本力學(xué)參數(shù)設(shè)置分層殼單 元中夾芯層材料屬性，對實際為空心孔洞的通過將夾芯層彈性模量設(shè)置為相對很小的數(shù)值 予以考慮，比如按混凝土彈性模量的1%考慮； (6) 根據(jù)實際夾芯，空心或填芯孔洞的混凝土墻或板構(gòu)件受力情況，建立基于夾芯層分 層殼單元的有限元分析模型，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的靜動力彈塑性分析。2. -種如權(quán)利要求1所述基于夾芯層分層殼單元的混凝土結(jié)構(gòu)受力分析方法的應(yīng)用， 其特征在于：對大型通用有限元商業(yè)軟件分層殼單元進行相關(guān)等效計算后，使用或編制相 關(guān)子程序模塊嵌套于大型通用有限元商業(yè)軟件中后使用。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于夾芯層分層殼單元的混凝土結(jié)構(gòu)受力分析方法及應(yīng)用。本發(fā)明主要是：根據(jù)夾芯混凝土墻或板結(jié)構(gòu)中實際夾芯孔洞面積和受彎剛度相等原則確定分析單元中連續(xù)夾芯層的厚度h和對截面中性軸距離x；基于分層殼單元原理，根據(jù)計算得到的h和x，對夾芯混凝土墻或板構(gòu)件沿厚度方向進行層劃分，確定夾芯層、混凝土層和鋼筋層數(shù)量、厚度以及在厚度方向上的具體位置；根據(jù)實際夾芯材料力學(xué)屬性等要求設(shè)置分層殼單元中夾芯層材料屬性，對實際為空心孔洞可通過將夾芯層的彈性模量設(shè)置為相對很小的數(shù)值予以考慮；根據(jù)實際夾芯混凝土墻或板等結(jié)構(gòu)受力情況，建立基于夾芯層分層殼單元的有限元分析模型，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的靜動力彈塑性分析。
【IPC分類】G06F19/00, G06F17/50
【公開號】CN104881584
【申請?zhí)枴緾N201510311764
【發(fā)明人】呂偉榮, 吳彬, 李強, 徐昌慧, 劉雪梅, 祝明橋, 黃海林
【申請人】湖南科技大學(xué)
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年6月9日