D區(qū)鋼筋混凝土構(gòu)件基于拉壓桿和擾動應力場理論的抗剪性能研究.pdf

1、不滿足平截面假定的D區(qū)鋼筋混凝土構(gòu)件受力機制復雜,剪力傳遞機理不明確。我國《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(GB50010-2010)雖然給出了開洞深梁等在復雜受力狀態(tài)下的二維非桿系構(gòu)件的設計原則,但缺乏嚴謹?shù)睦碚撃Ｐ秃途_的承載力計算方法,導致實際工程中開洞深梁的安全性難以得到保障。因此有必要在試驗的基礎上結(jié)合理論分析,提出一種更加合理的理論分析方法和計算模型。目前,國內(nèi)外多采用拉壓桿模型(StrutandTieModel-STM)的方法對D區(qū)

2、的構(gòu)件進行設計,由于拉壓桿模型能反映出構(gòu)件的傳力機制,受力明確已被多國引入規(guī)范。擾動應力場理論(DisturbedStressFieldModel-DSFM)能夠考慮剪切滑移破壞,基于DSFM的非線性有限元數(shù)值分析結(jié)果能更好的反映鋼筋混凝土抗剪受力全過程。基于以上兩種理論,本文希望建立一套適合各種復雜應力分布情況下,滿足D區(qū)鋼筋混凝土構(gòu)件抗剪要求的設計和計算方法,主要內(nèi)容包括:
　　(1)拉壓桿模型在建模時靈活性比較大,相同的幾何

3、與荷載條件,可以建立不同的拉壓桿模型,采用變密度法(SolidIsotropicMaterialwithPenalization-SIMP)應變能最小化的優(yōu)化準則方法,對基于拓撲優(yōu)化技術(shù)建立拉壓桿模型的設計流程進行了深入研究。對變密度法中SIMP模型在網(wǎng)格劃分單元數(shù)目,體積保留數(shù),懲罰因子,過濾半徑等因素的影響下出現(xiàn)的棋盤格式和網(wǎng)格依賴性等數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象進行了分析并提出了解決方法。
　　(2)為系統(tǒng)研究D區(qū)構(gòu)件的抗剪性能,依據(jù)應力

4、區(qū)域復雜程度將D區(qū)分為簡單D區(qū)和復雜D區(qū)。簡單D區(qū)構(gòu)件,包括大部分的簡單深梁,托臂梁,剪力墻,梁柱的連接部分,可以利用基于拓撲優(yōu)化的非線性拉壓桿模型進行設計和分析。復雜D區(qū)的構(gòu)件,可以利用基于DSFM理論的非線性有限元的方法進行設計和分析。
　　(3)基于SIMP拉壓桿對簡單D區(qū)構(gòu)件抗剪性能的研究。利用非線性拉壓桿模型進行分析,根據(jù)最小應變能的原理對拉壓桿模型進行比選,比選結(jié)果表明由拓撲優(yōu)化得出的拉壓桿模型為最優(yōu)的配筋形式。為驗證

5、其可行性,對一簡支開洞深梁建立了多種拉壓桿模型,并與基于SIMP法的拓撲優(yōu)化建立的拉壓桿模型,通過承載能力和有效系數(shù)進行方案的比選,研究結(jié)果表明基于SIMP拓撲優(yōu)化的拉壓桿模型應變能和鋼筋體積比最小,而承載能力較大。
　　(4)基于DSFM對復雜D區(qū)構(gòu)件進行抗剪性能的研究。利用非線性有限元分析程序Vector2分析了構(gòu)件在剪跨比、開洞位置、混凝土強度、配筋形式、配箍率等因素影響下構(gòu)件的抗剪性能,并與試驗進行對比,結(jié)果顯示隨著剪跨比