钢纤维混凝土简支梁结构行为计算机仿真
混凝土结构的计算机仿真说明书
图书基本信息书名：<<混凝土结构的计算机仿真>>13位ISBN编号：978756082413010位ISBN编号：7560824137出版时间：2002-1出版时间：同济大学出版社作者：顾祥林，孙飞飞 编著页数：180版权说明：本站所提供下载的PDF图书仅提供预览和简介，请支持正版图书。
更多资源请访问：前言 计算机在科学技术各个领域的广泛应用，为人类认识世界提供了一个有力的工具。
本书第一作者曾连续四届在同济大学工民建、土建专业高年级本科生中开设了“混凝土结构计算机仿真”选修课，详细介绍了混凝土结构基本构件、钢筋混凝土杆系结构动、静力试验的计算机仿真分析方法；旨在帮助同学们通过学习更好地掌握计算机这个有效的工具，为今后的科学研究、工程实践打下良好的基础。
该课程受到了学生们的欢迎。
为了使读者能深入了解混凝土结构的计算机仿真分析方法，作者在原讲稿的基础上结合近期的科研成果写成本书。
全书遵循由简单到复杂，由构件到结构的渐进原则。
首先介绍钢筋混凝土梁、柱、板、墙 和预应力混凝土梁等基本构件的计算机仿真分析方法；进而介绍钢筋混凝土杆系结构静、动力试验和钢筋混凝土框架结构倒塌反应的计算机仿真分析方法；最后介绍计算机仿真中结构破坏过程的图形处理技术，形成一套完整的系统。
其中，顾祥林负责第三、第四、第五、第六和第九章的写作，孙飞飞负责第七和第十章的写作，第一和第二章由顾祥林和孙飞飞共同写作。
笔者曾分别师从同济大学张誉教授和沈祖炎教授作博士研究生，后又在沈祖炎教授的领导下参加了国家基础性研究重大项目（攀登B计划）：“重大土木与水利工程安全性与耐久性的基础研究”的子课题——反映高层建筑结构体系施工误差及损伤累积的仿真系统的研究工作。
导师的悉心指导和谆谆教诲刈‘笔者的学习和工作起到了巨大的作用，使得笔者能顺利地完成本书的写作。
另外，同济大学结构工程专业的多位研究生和本科生也为本书做出了卓越的贡献，他们是姚利民、王立明、李承、周湘赞、马星、黄勤、周钦海、王伟、任晓勇、孟益、宋晓滨和宣纲。
钢纤维混凝土简支墙梁力学性能试验和有限元分析
ＯＯ ．
体积率
０ ８ １ ２ １ ５ ０４ ．７ ０４ ．７ ０４ ．７ ０４ ．７ ５ ０ ５ ０ ５ ０ ５ ０
３ ． ９２ ６ ． ２７ ９ ． ４０
１试件 的制备 ）
混凝土按表 １ 的配合 比进行配置 ， 选用强制式搅
收 稿 日期 ：Ｏ ｏ １－ ４ ２ １． ｏ ｌ 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目（ｏ Ｏ １２ ５ ９８ ８ ）
１３ 试验 设备 ．
１加载设备 ）
通信作者 ： 齐筵（９２ ）男 ， １６一 ， 湖北武汉人 ， 博士生 ， 副教授 ， 主要从事土木工程教学和研究．— ａ：ｅｇ ６． ｒ Ｅ ｍ ｉ ｓ ＠１３ ｏ ｌ ｕ ｑ ｃｎ
第２ ５卷第 ４期 湖南 科技 大学 学报 （ 自然 科学版 ） ２１ ０ ０年 ｌ ２月 Ｊ ｕｎ ｌ ｆＨ ｎ ｎＵ ｉ ｒｔ ｏ Ｓ ｉ ｃ ｏ ｒａ ｏ ｕ ａ ｎ ｅ ｉ ｃ ｎ ｅ＆Ｔ ｃｎ ｌ ｙＮ ｔｒｌ ｃ ｎｅ Ｅ ｉ ｎ ｖ ｓ ｙｆ ｅ ｅ ｈｏ ｇ （ ａｕａ Ｓ ｉ ｃ ｄ ｉ ） ｏ ｅ ｔ ｏ
确定 了钢纤维的最佳掺量． 用力学的基本原理 ， 运 建立 了钢 纤维混凝土简支墙梁的计算模型 ， 出了有 限元分析钢 纤维混凝土简支墙梁 提
性能的方法． 通过算例 ， 验证 了有限元分析钢纤维混凝土简支墙梁受力性能的方法的正确性．
关键词： 钢纤维混凝土；简支墙梁； 荷载 ； 力学性 能； 有限元 中图分类号 ： ４ ． Ｕ４ ５５ ７ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：６２ ９ Ｏ （００ Ｏ 一 ０ ９ Ｏ １７ — １ ２２ １ ）４ ｏ ６一 ５
１％各 ３ ） ５ 根 ．
表 １ 铜纤维混凝土基准配合 比及材料 用量表
基于计算机仿真技术的桥梁结构优化分析
基于计算机仿真技术的桥梁结构优化分析计算机仿真技术的发展，为桥梁结构优化提供了便利，让设计者能够更加准确、快速的得出各种参数的计算值，有效地减少设计上的失误和漏洞。
同时，计算机仿真技术还可以为桥梁结构的试验分析提供有力的支持，加强结构的安全性和稳定性，提高设计者的工作效率。
在计算机仿真技术的基础上，桥梁的结构优化分析可以通过模拟计算得出最合适的结构方案，以满足工程要求，同时保证施工质量。
在实际操作中，桥梁结构的形式和材料的种类多种多样，对于设计者来说，需要充分了解各种桥梁结构的特点和优缺点，基于该知识，通过计算机仿真技术，找到合适的结构方案，来确保工程的质量和可靠性。
采用计算机仿真技术进行桥梁结构优化分析，设计者不仅可以得出最优的结构方案，同时还可以进行不同要素的参数优化，如承载能力、稳定性、疲劳性、耐久性等，在各种参数的优化计算中，不断改进设计，并得到不同的设计成果。
在桥梁设计中，地震是一个非常重要的要素。
基于计算机仿真的地震模拟分析，可以帮助设计者及时了解桥梁在地震中的应力分布和变形情况，根据这些数据进行结构优化，提高桥梁的抗震性和稳定性。
另外，涉水桥的特殊结构，也需要深入研究水流特点，通过计算机仿真技术进行分析，确定桥梁对水流的影响和受力情况，从而得出最优的设计方案。
在桥梁结构优化分析的过程中，还需要评估各种结构材料的物理性质和力学性能，如钢、混凝土、木材和纤维复合材料等，应根据实际情况进行选择，合理选材的同时，借助计算机仿真技术进行分析，从而获得更合理的结构设计方案。
总之，计算机仿真技术已经成为了桥梁结构优化分析的有力工具，其应用范围和优势逐渐显现。
设计者需要了解各种材料、各种要素的特点，通过计算机仿真技术进行结构优化分析和参数优化，得出最优的设计方案，以确保桥梁工程的质量和可靠性。
随着计算机仿真技术的不断发展，未来桥梁结构的优化分析将更加自动化和高效化，设计者也会拥有更多更强大的工具，去实现更精准、更科学的设计方案。
计算机仿真技术在钢结构设计中的应用研究
计算机仿真技术在钢结构设计中的应用研究随着科学技术的进步和经济的快速发展，现在的建筑结构已经不再是传统的石砖混凝土，而是朝着轻型、大跨度、高效益的方向发展。
钢结构建筑由于其优越的力学性能、灵活性、设计和加工方便以及施工速度快等优点，越来越受到人们的关注和重视。
在设计钢结构建筑时，计算机仿真技术已经成为了一个必不可少的工具，可以帮助设计师更好地计算和分析设计方案，提高设计质量和效率。
一、计算机仿真技术的发展与应用计算机仿真技术是一种将实际事物抽象成计算机模型，通过对模型的计算分析来研究其特性和行为的技术。
计算机仿真技术可以在短时间内模拟出大量的场景和可能性，从而为设计师提供更多的参考和选择。
随着计算机硬件和软件技术的不断进步，计算机仿真技术也逐渐成熟和普及，被广泛应用于工程设计、制造加工、产品测试等领域。
在钢结构设计中，计算机仿真技术主要体现在结构力学模拟、结构优化、材料性能分析、结构静力和动力响应分析等方面。
结构力学模拟可以帮助设计师更好地了解钢结构的力学性能、稳定性和安全性，进而优化设计方案。
结构优化可以通过仿真和分析来对结构的构型、材料、截面等参数进行优化，从而得到更经济、实用和稳定的设计方案。
材料性能分析可以通过模拟和测试来获取材料的性能数据，从而对材料的选择和使用进行评估。
结构静力和动力响应分析可以帮助设计师了解钢结构在自身重量、风载、地震等不同荷载和环境作用下的响应和反应，以及材料和构件的疲劳和变形情况。
二、计算机仿真技术在钢结构建筑设计中的应用1.结构优化结构优化是钢结构设计中的一个重要环节，也是计算机仿真技术的主要应用之一。
通过对结构的力学性能和稳定性进行仿真和分析，结构优化可以在保证结构强度和稳定性的基础上，尽量减少材料和能源消耗、降低造价、提高建筑美观性和功能性等方面进行优化。
例如，在传统设计中，随着大跨度和超高层建筑的出现，为了保证结构稳定性和强度，往往需要使用大量的钢材和混凝土，造成资金和资源浪费。
基于ABAQUS的钢_混凝土组合结构纤维梁模型的开发及应用_聂建国
弹塑性分析中，若采用“壳-实体”模型建立组合结 构体系模型，求解速度极慢，目前计算机的计算能 力往往无法满足其计算开销，并且很有可能由于局 部应力集中造成整体平衡迭代不收敛，无法获得分 析计算结果。若采用“梁-壳”模型建立组合结构体 系模型，求解时间较短，并且收敛性较好，但对于 高层结构而言，楼板数量较多，导致相应的壳单元 及其节点的数量大大增加，结构的整体刚度矩阵将 随之扩大，求解速度仍然不够理想。因此我们有必 要采用更加高效的建模手段以保证求解效率。而组 合结构体系的杆系有限元模型能够避免在结构整 体分析中对楼板采用壳单元单独进行建模，如图 2 所示，只需要分别对组合梁和组合柱建立梁模型， 然后分别赋予相应的截面和材料信息，节点和单元 数量相比“梁-壳”模型和“壳-实体”模型大大减 少，在保证计算精度的同时求解效率将显著提高。 另外，工程师们在进行框架体系分析时往往希望得 到梁柱的弯矩、轴力和剪力等内力值，而“梁-壳” 模型和 “壳-实体” 模型中提取结构构件的内力值极 为不便，而在杆系有限元模型中则很容易实现。
摘
要：在大量已有研究成果的基础上，基于大型通用有限元软件 ABAQUS 提供的用户子程序 UMAT 开发了一
组适用于组合结构构件的单轴材料滞回本构模型，并编制了可用于组合截面纤维自动离散的前处理程序，由此集 成了钢-混凝土组合结构纤维梁模型， 可用于完全剪力连接的组合框架体系在竖向荷载及水平往复荷载作用下的整 体弹塑性分析。 与国内外大量试验的对比结果表明， 该文开发的钢-混凝土组合结构纤维梁模型具有较高的精度和 较为广泛的适用性。纤维梁模型虽然不能考虑钢梁与混凝土板之间的滑移效应，但与试验结果的对比表明是否考 虑滑移效应对结构体系整体计算结果的影响不大，但建模工作量大大减少，计算效率显著提高，在分析组合框架 体系在地震往复荷载作用下的受力性能时具有较大的优势。 关键词：钢-混凝土；组合结构；纤维梁；ABAQUS；UMAT；有限元 中图分类号：TU398+.9 文献标志码：A
钢纤维混凝土梁非线性分析在ANSYS中的实现
型 ,但加入了混凝土的三维强度准则 , 可通过定义
3 个方向的配筋率考虑 3 个方向的钢筋 . Concrete
材料可通过选取非线性模型考虑塑性变形和徐变 ,
Concrete 材料模型的基本参数有开裂截面和裂缝闭
钢筋作为一种金属材料 , 其力学模型相对容易 把握 , 一般采用双线理想弹塑性模型 , 应力应变关
( School of Civil and Architectural Engineering ,Wuhan University ,Wuhan 430072 ,China)
Abstract : In t his paper , t he constit utive models of concrete and reinforcement , as well as t he properties of t heir element and t he models of FEA are discussed. Models are created in APDL language ; and nonlinear analysis for reinforced concrete beams containing steel fibers is carried out by using t he large general st ruct ural analysis software ANS YS. If Solid65 is used toget her wit h ot her element s in ANS YS , and proper constit utive equation and failure criteria of concrete are adopted , t he simulated result s correspond well to t he experimental result s. Key words : ANS YS ; steel fiber reinforced concrete ; beams ; nonlinear analysis
基于计算机模拟的混凝土结构力学特性分析
基于计算机模拟的混凝土结构力学特性分析一、前言混凝土结构是现代建筑中最常见的结构形式之一，其力学特性的分析对于结构设计和优化至关重要。
随着计算机技术的不断发展，计算机模拟成为了一种较为常见的分析手段，可以帮助工程师更加全面、准确地了解混凝土结构的力学特性。
本文将基于计算机模拟对混凝土结构力学特性进行分析。
二、计算机模拟的基本概念计算机模拟是指通过计算机程序对某个系统或过程进行模拟仿真，以得到系统或过程的一些特定信息。
在计算机模拟中，需要根据实际情况确定模拟对象的模型、物理参数和边界条件等，然后通过数值计算方法对模型进行求解，最终得到所需信息。
三、混凝土结构的力学特性混凝土是由水泥、骨料、水和掺合料等组成的复合材料，具有一定的强度和刚度。
混凝土结构在受力作用下会发生弯曲、剪切、压缩等变形，其力学特性主要包括以下几个方面：1. 强度特性：混凝土结构的强度特性是指在受力作用下所能承受的最大力量。
混凝土结构的强度主要包括抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等。
2. 刚度特性：混凝土结构的刚度特性是指在受力作用下其变形量与受力量之间的关系。
刚度主要包括弹性模量、剪切模量等。
3. 稳定性特性：混凝土结构的稳定性特性是指其在受力作用下是否会出现失稳现象。
常见的失稳现象包括屈曲、侧移等。
四、计算机模拟的应用计算机模拟可以帮助工程师更加全面、准确地了解混凝土结构的力学特性，从而指导结构设计和优化。
具体来说，计算机模拟在混凝土结构分析中的应用主要包括以下几个方面：1. 模拟结构受力状态：通过计算机模拟可以模拟混凝土结构在受力作用下的变形、应力分布等情况，从而全面了解结构的力学特性。
2. 优化结构设计：通过计算机模拟可以对不同的结构设计方案进行模拟和比较，从而选择最优的结构方案。
3. 验证设计结果：通过计算机模拟可以验证设计结果的正确性，从而提高结构设计的精度和可靠性。
五、计算机模拟的方法和技术计算机模拟在混凝土结构分析中主要采用数值计算方法，常见的数值计算方法包括有限元方法、边界元方法、网格方法等。
钢纤维混凝土动态本构模型及其有限元方法
钢纤维混凝土动态本构模型及其有限元方法钢纤维混凝土是一种使用细小钢纤维增强的混凝土材料，具有较高的抗裂性能和韧性。
在结构工程中，钢纤维混凝土常用于加固和增强混凝土结构。
为了准确地分析和设计钢纤维混凝土结构，需要了解其动态本构模型和相应的有限元方法。
在弹性阶段，可以使用弹性本构模型来描述钢纤维混凝土的应力-应变关系。
常用的弹性本构模型包括线性弹性模型和非线性弹性模型。
线性弹性模型假设材料在弹性阶段呈线性的应力-应变关系，可以使用胡克定律进行描述。
非线性弹性模型则考虑了材料在弹性阶段的非线性特性，如拉伸性能、压缩性能和抗剪性能。
在塑性阶段，钢纤维混凝土的变形行为会出现一定的非弹性变形，主要包括塑性应变和残余应变。
因此，需要使用塑性本构模型来描述钢纤维混凝土在受力过程中的非弹性变形。
常用的塑性本构模型包括弹塑性模型、弹塑性损伤模型和塑性损伤模型。
在损伤阶段，钢纤维混凝土会出现损伤行为，如微裂缝的扩展和混凝土破碎。
为了精确地描述钢纤维混凝土在受力过程中的损伤行为，可以使用损伤本构模型。
损伤本构模型考虑了材料的弹塑性行为和损伤行为，并通过损伤变量来描述材料的损伤程度。
有限元方法是一种数值计算方法，在钢纤维混凝土动态分析中具有广泛的应用。
有限元方法将结构划分为多个小单元，通过在每个单元上建立代表该单元材料本构特性的方程来求解结构的响应。
对于钢纤维混凝土结构，可以使用弹塑性本构模型和损伤本构模型作为有限元模型。
在建立有限元模型时，需要根据钢纤维混凝土的实际工程应用情况选择合适的本构模型。
通过实验测试或文献调研获得钢纤维混凝土的材料参数，如弹性模量、泊松比、抗拉强度、抗压强度等。
然后，在有限元软件中建立钢纤维混凝土的有限元模型，选择适当的单元类型和网格划分方法。
在动态分析中，通过施加动力荷载或地震荷载模拟实际工程中的受力情况，在有限元模型中求解结构的应力、位移和损伤等响应。
同时，可以进行参数敏感性分析和结构优化设计，以确保结构的安全和可靠性。
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（－） ２ａ
（－ ） ２ ｂ
上升段 ａａ ， 为原点处切线 弹性模量 ， ：：１ ３ ｏ， Ｅ 为极值点处割线 弹
凸
性模量。下降段 值为 ： （．＋ ．１ ） 一 ０ ） ：１ ００ ２ （ ４ １ ２５ ．钢纤维混凝土单轴受拉 应力 一应变关系曲线 上 升段 ：＝ｘ （— ａｘ ｆ ２ｘ ｙ ａ＋３ ２）＋ａ ） 一
科技信息
工 程 技 术
钢 纤 维混 凝 土 简 支 梁 结 构行 为计 算 机 仿真
四 川建 筑职业技 术 学院 黄 陆海 王树 兰
［ 摘 要］ 通过计算机数值模拟 ， 得到 了钢纤维混凝 土简支梁从加载一开裂一极 限荷载一卸载一破坏ห้องสมุดไป่ตู้的全程荷 载 一位移关 系。将计 算结果与 实验结果作对 比， 二者吻合较好 ， 这表 明了本 文建立的针对钢纤维混凝土梁进行数值模拟模型的有效性 。在此根据数值模 拟 结果研 究了钢纤维混凝 土简支梁的结构行为 ， 别是对 实验不 易得到的软化阶段 的特性进行 了详细和深入的研 究。其结果表明 ： 特 由于钢纤维的掺入 ， 结构的初裂荷载 、 抗弯强度及延性 大大提 高。 当铜纤维的体积含 量在 ０ ％ 间时， 着钢纤维含量的提 高， ～２ 之 随 下 降段 在 全 程 曲 线 中 所 占 比例 提 高 ， 下 降段 变化 趋 势愈 显 平 缓 ， 增 韧 效 果 显 著 。 且 即 ［ 键 词 ］ 纤 维 混凝 土 数 值 模 拟 结 构行 为 软 化 特 性 关 钢
８。 ｙ ． ： （） ５
Ｙ： 受压 区第 ｉ 条钢纤维混凝土条带中心至中性轴距离 。 截 面 上任 一 受 拉 条 带 上 钢 纤 维 混 凝 土 的应 变 为 ：
￡ ＝巾ｙ ｎ ｊ Ｙ 受 拉 区第 ｊ 钢 纤 维 混 凝 土 条带 中心 至 中性 轴 距 离 。 ｉ ： 条 由 平衡 条 件 可 列 出如 下 平 衡 方 程 ：
下 段ｙ 青 降：
ｆｂ１ ３ 一 ａ ｆ一、 ３
上 段 的 数 的 值ａ． 等 升 中 系 ａ取 ：１ ＝ ４
下降段 中的系数 ａ 的取值 ：＝ ．１ｅｐ０６ ２１ｏ４ ６ｘ （．２ Ｋ ａ０４ ８ｘ （．３ ￡ ． ｅｐ０８ ６ ３ 一 ４ 其中Ｃ 为素混凝土单轴受 拉极限应力 ； ｅ 为素混 凝土受拉极 限应 变 ；： ，＝ ， ｘ 旦 ｙ ８ 为钢纤 维混凝土单轴受拉 峰值应变 ， 为钢纤 维混
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式 中 ： Ａ一 受 拉 、 压 钢 筋 面积 Ａ 、 受
１ 引言 、
对 钢 纤 维 混 凝 土结 构 的数 值 方 法 的研 究 也 有 报 导 ， 并 不是 很 多 。 但 特别是对 于荷 载 一位移关 系的下降段 ， ， 即 软化 特性 的研究就更少 了。 原 因是 ： 实 验 时 ， 于试 验 条 件 的 限制 ， 试 验 机 刚 度 不 够 等 原 因 ， 做 由 如 下 降段通常不易得到。在此建立 了可用于分析钢纤维混凝 土（Ｆ Ｃ） Ｓ Ｒ 结构 的数 值 分 析 模 型 ，并 对 钢 纤 维 混 凝 土 简 支 梁 从 加 载 一 开 裂一 极 限 荷 载一卸载一 破坏的全程进行 了数值模拟。 在此过程 中， 只要选择恰 当的 破坏准 则 ， 做好卸载处理 ， 就可 以得到荷载位移 关系下降段 ， 并且还可 减少实验所需的大量成本 ， 即充分体现了数值模拟 的优越性。本文通过 计算机数值模 拟， 对钢纤维混凝土简支梁的结构行为 ， 特别是软化 阶段 特性进行了详 细和深入的研究。其结果表明 ： 由于钢纤维的掺人 ， 结构 的初裂荷载 、 弯强度及延性大大提高。 抗 当钢纤 维的体积含量在 ０～２ ％ 之间时 ， 随着钢纤维含量的提 高， 下降段在全程 曲线 中所 占 比例提高 ， 且 下 降 段变 化 趋 势 愈 显平 缓 ， 即增 韧效 果 显 著 。 ２ 计 算 假 定 、 ２１ 截 面 假 定 ．平 试验表明 ： 掺入钢纤 维后 ， 其均质性提高 ， 钢纤维混凝土与 钢筋之 间的粘结力增强 ， 故其 比普通钢筋混凝 土梁更符合平截面假 定。 ２ ． 纤 维 混 凝 土 开 裂后 ， ２钢 考虑 拉 区钢 纤 维 混 凝 土 的抗 拉 作 用 ２３钢 筋 应 力 一应 变 关 系 曲线 ． 钢筋 的应力 一应变关系采用弹塑性强化模型 ，并考虑其屈服硬化 （ 折线 模 式 ）屈 服 强 度 为 ‘ 钢 筋 的 应 变 超 过 ８ 三 ， ， 后 取 Ｅ ＝ ．１ ００ Ｅ 。
￡ ≤８， Ｅ￡ ＝ ￡ ｌ ≯￡，－ ｆ ￡ ｏ＝ ｙ ＞ ￣ （－ ） １ａ （－ １ １ｈ
ｋ 压 区 高 度 系数 ；。截 面有 效 高 度 ； 钢 筋 应 变 ； ： 压 边 缘 钢 ： ｈ： ￡： ￡ 受 纤维混凝土的压应变。 取 图 １ 示 截 面 计 算 简 图 ，沿 截 面 将 压 区钢 纤 维 混 凝 土 划 分 成 Ｉ 所 Ｔ Ｉ 条平行于中性 轴的条带 ，同时将拉区钢纤维混凝土划分成 ｎ条平行于 中性 轴 的 条 带 。 截面上任一受压条带上钢纤维混凝土的应变为 ：
Ａ ＝Ａ ， ＡＩ ｙ： ｂ 受压 区第 ｉ 条带上钢纤维混凝土面积（ ｉｋ１１ ） △ｙ ； ＝１ Ａ ｉｂ ｙ Ａ： Ａ ｐ受拉区第 ｊ 条带上钢纤维混凝土面积（ （一 ）０ △ ： １ｋｈ ）
ｎ
￡≥ｓ ， ＝ｖ＋ ｆＩ Ｅ） （
（一） １ｃ
‘ 一屈服强度 ， 一 ｅ 屈服应 变 ， ｓ 一强化段起始应变 。 ２４钢纤维混凝 土单轴受压应力 一应变关系曲线 ． 上 升 段 ：＝ ｘ（— ａ （一 ） ｙａ＋３ ２） ＋ａ ２ｘ ｘ 。 下降段 ： ｙ Ｘ