15國(guó)創(chuàng)申報(bào)0509

1、國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目申報(bào)書(shū)項(xiàng)目編號(hào)：項(xiàng)目名稱：基于有限元數(shù)值分析及截面分析法的型鋼混凝土梁變形性能指標(biāo)驗(yàn)證項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：吳梓楠項(xiàng)目管理學(xué)院：土木與交通學(xué)院指導(dǎo)教師：季靜華南理工大學(xué)教務(wù)處二一五年四月 填 寫(xiě) 說(shuō) 明1.創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目是本科生個(gè)人或團(tuán)隊(duì)，在導(dǎo)師指導(dǎo)下，自主完成創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)、設(shè)備和材料的準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)的實(shí)施、數(shù)據(jù)處理與分析、總結(jié)報(bào)告撰寫(xiě)等工作。2.申報(bào)書(shū)請(qǐng)按順序逐項(xiàng)填寫(xiě)，填寫(xiě)內(nèi)容必須實(shí)事求是，表達(dá)明確嚴(yán)謹(jǐn)，簡(jiǎn)明扼要。空缺項(xiàng)要填“無(wú)”。3.“項(xiàng)目編號(hào)”一欄不填；“項(xiàng)目管理學(xué)院”原則上為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人所在學(xué)院。4.申請(qǐng)參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的人數(shù)含負(fù)責(zé)人在內(nèi)不得超過(guò)5人。5

2、.填寫(xiě)時(shí)可以改變字體大小等，但要確保表格的樣式不變；填寫(xiě)完后用A4紙張雙面打印，左側(cè)裝訂成冊(cè)。6.申報(bào)過(guò)程有不明事宜，請(qǐng)與學(xué)校教務(wù)處實(shí)踐教學(xué)管理辦公室聯(lián)系。一、基本情況項(xiàng)目名稱基于有限元數(shù)值分析及截面分析法的型鋼混凝土梁變形性能指標(biāo)驗(yàn)證所屬學(xué)科土木工程項(xiàng)目起止時(shí)間2015年 5 月 至 2016 年 7 月負(fù)責(zé)人姓名吳梓楠性別男民族漢出生年月1994.10學(xué)號(hào)201330202403學(xué)院土木與交通學(xué)院專業(yè)班級(jí)土木工程卓越全英班年級(jí)2013聯(lián)系電-mail536548246參與科研情況2015年3月以團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人的身份，成功申報(bào)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)本科生自主選題項(xiàng)目，課

3、題為“型鋼混凝土梁變形性能試驗(yàn)研究及其變形性能指標(biāo)適用性驗(yàn)證”。項(xiàng)目組成員姓名年級(jí)所在學(xué)院、專業(yè)聯(lián)系電話E-mail謝五寧2013土木與交通學(xué)院 土木工程18819472551578932973彭出2013土木與交通學(xué)院 土木工程18819487760707168967孔志豪2012土木與交通學(xué)院 土木工程15626135015404310185吳培均2012土木與交通學(xué)院 土木工程1336186862957034902指導(dǎo)教師姓名所在學(xué)院職務(wù)/職稱聯(lián)系電話E-mail季靜土木與交通學(xué)院教vjingji承擔(dān)科研課題情況主持和參加省部級(jí)、校級(jí)及橫向科研項(xiàng)目三十余項(xiàng)，在國(guó)

4、內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物和學(xué)術(shù)會(huì) 議論文集中發(fā)表科研論文 60 余篇，其中有 30 余篇被三大（SCI，EI，ISTP）索引， 出版教材和專著 5 部。二、立項(xiàng)依據(jù)（加頁(yè)詳述）（一）研究目的地震是危害人類的嚴(yán)重自然災(zāi)害之一，在很多國(guó)家，地震是主要的自然災(zāi)害。中國(guó)人民受到的地震災(zāi)害尤為重要，地震造成的人員傷亡，中國(guó)居世界首位。地震災(zāi)害已經(jīng)受到全人類的重視，并引發(fā)科學(xué)界對(duì)其進(jìn)行深入研究和防范。人們開(kāi)始考慮什么樣的結(jié)構(gòu)才能減少地震帶來(lái)的損失，于是便對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列的抗震設(shè)計(jì)。最早的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是抗力設(shè)計(jì)，但是地震工程的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，地震烈度提高一度，地震能量增加十倍左右，此時(shí)單純依靠抗力來(lái)抵抗地震作用，結(jié)構(gòu)底

5、層柱墻截面要提高數(shù)倍才能滿足抗力的需求。這是目前在建的高層、超高層結(jié)構(gòu)都無(wú)法接受的。引入延性設(shè)計(jì)思想以后，工程師開(kāi)始巧妙地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)入延性階段以后的變形能力來(lái)耗散地震能量，結(jié)構(gòu)截面尺寸得到極大的降低。在延性抗震思想的指導(dǎo)下，現(xiàn)代建筑越來(lái)越高，人類建筑高度的極限，一次次被打破。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想從抗力設(shè)計(jì)到延性設(shè)計(jì)的思想轉(zhuǎn)變帶來(lái)了極大的經(jīng)濟(jì)效益，在節(jié)約資源的同時(shí)，也極大地保證了人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。然而隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平的發(fā)展和人民生活水平的提高，特別是在大型城市，由于主體結(jié)構(gòu)本身的過(guò)大變形導(dǎo)致建筑功能特別是生命線工程功能中斷帶來(lái)的間接社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失是人們難以承受的。于是美國(guó)學(xué)者最先提出了基于性能的抗震

6、理論，并很快為世界各國(guó)學(xué)者所接受?；谛阅艿慕Y(jié)構(gòu)抗震思想的本質(zhì)是在綜合考慮建筑、結(jié)構(gòu)功能的前提下，對(duì)結(jié)構(gòu)的塑性變形提出必要的限制，在保證結(jié)構(gòu)抗震安全性的前提下，將社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失降低到可以承受的水平。目前，基于性能的抗震設(shè)計(jì)主要集中在鋼筋混凝土構(gòu)件方面的理論和試驗(yàn)研究，而對(duì)型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形性能的研究尚缺乏。相比于鋼筋混凝土構(gòu)件，型鋼混凝土構(gòu)件有很多優(yōu)點(diǎn)，比如說(shuō)：變形性能強(qiáng)、抗震性能好、可以配置更多鋼材、加快施工速度和節(jié)省模板支撐等等。由此可見(jiàn)，研究型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形性能會(huì)更加完善基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法，從而推動(dòng)人類抗震設(shè)計(jì)方法的進(jìn)步，造福每一個(gè)人。研究型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的

7、變形性能最直接的方法是進(jìn)行批量的試件試驗(yàn)，但這樣會(huì)耗費(fèi)大量資金和時(shí)間。利用對(duì)典型試件的實(shí)驗(yàn)以及有限元軟件ABAQUS的數(shù)值仿真模擬試驗(yàn)，通過(guò)單因素分析，考察各類構(gòu)件參數(shù)對(duì)構(gòu)件抗震變形性能的影響，取得型鋼、混凝土和粘結(jié)界面破壞和損傷發(fā)展過(guò)程，確定各類組合構(gòu)件的變形性能指標(biāo)限值。而變形性能指標(biāo)的適用性，則需要采取一定的手段進(jìn)行驗(yàn)證。因此本課題組擬通過(guò)有限元分析軟件及截面分析法對(duì)性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，若條件允許也將選取部分典型試件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。于此同時(shí)，本課題組將推廣截面分析法，讓其功能不僅僅局限與對(duì)型鋼混凝土梁的性能驗(yàn)證，并且能夠完成對(duì)其他構(gòu)件在不同加載方式下的性能驗(yàn)證。（二）研究?jī)?nèi)容（1）型鋼混凝土

8、梁不同破壞類型的力-應(yīng)變關(guān)系，裂縫開(kāi)展特征，破壞形態(tài)，以及影響其力學(xué)性能的條件。研究型鋼混凝土梁變形性能指標(biāo)限值，首先要對(duì)其在不同破壞類型狀態(tài)下的裂縫和變形有較深入的認(rèn)識(shí)。所以，本課題組首先以西安建筑科技大學(xué)的王朝霞教授對(duì)型鋼混凝土梁的破壞過(guò)程和影響構(gòu)建變形的不同因素的研究結(jié)果為主進(jìn)行學(xué)習(xí)，了解型鋼混凝土梁彎曲破壞，斜壓破壞，彎剪破壞等不同破壞類型的特點(diǎn)。學(xué)習(xí)其從加載到破壞過(guò)程中的力-應(yīng)變曲線與混凝土開(kāi)裂強(qiáng)度，型鋼屈服強(qiáng)度，構(gòu)件破壞強(qiáng)度等指標(biāo)的關(guān)系，了解鋼筋應(yīng)力，型鋼應(yīng)力，配鋼率，梁截面尺寸，保護(hù)層厚度等因素對(duì)其裂縫發(fā)展的影響。（2）熟悉ABAQUS數(shù)值分析的方法，并研究型鋼混凝土梁在數(shù)值仿真

9、分析中的合理建模方式，包括材料的本構(gòu)關(guān)系以及截面邊界條件的選取。本課題組主要通過(guò)數(shù)值仿真分析對(duì)型鋼混凝土梁進(jìn)行研究，所以其建模方法的科學(xué)與有效性至關(guān)重要。而型鋼混凝土梁建模過(guò)程中混凝土、鋼筋、型鋼的本構(gòu)選擇，網(wǎng)格劃分的密度，單元類型的選擇，約束條件的定義等都需要通過(guò)數(shù)值仿真試驗(yàn)與實(shí)際試驗(yàn)的對(duì)比不斷進(jìn)行校正，才能合理地模擬型鋼混凝土梁從加載到破壞的過(guò)程。（3）合理運(yùn)用截面分析法，通過(guò)課題組自主編寫(xiě)的程序來(lái)完成截面分析法的驗(yàn)證過(guò)程，并拓展截面分析法的適用范圍。截面分析法提供以一種除有限元數(shù)值分析之外，能夠與試驗(yàn)相互結(jié)合來(lái)驗(yàn)證性能指標(biāo)的新途徑。在本課題實(shí)行之前，本課題組部分成員已具備一定的軟件編程能

10、力，通過(guò)對(duì)截面分析法的熟悉掌握來(lái)編寫(xiě)合理的程序，利用程序?qū)С鰳?gòu)件的力位移曲線，同時(shí)與試驗(yàn)結(jié)果相互結(jié)合來(lái)驗(yàn)證性能指標(biāo)的適用性。除此之外，本課題組將研究如何打破截面分析法的局限性，讓截面分析法及相應(yīng)程序能夠成功驗(yàn)證其他構(gòu)件在不同加載方式下的性能。（3）驗(yàn)證型鋼混凝土梁構(gòu)件變形性能指標(biāo)的適用性。華南理工大學(xué)高層建筑研究所對(duì)型鋼混凝土梁進(jìn)行了大量的研究，現(xiàn)已獲得其變形性能指標(biāo)，該指標(biāo)選用位移角作為度量標(biāo)準(zhǔn)，并定量地將構(gòu)件變形性能水準(zhǔn)劃分為完好，輕微破壞，輕重等破壞，中等破壞，不嚴(yán)重破壞，嚴(yán)重破壞六個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)五個(gè)變形指標(biāo)限值(見(jiàn)圖1)。對(duì)于有著不同設(shè)計(jì)參數(shù)和力學(xué)條件的構(gòu)件，影響其變形性能指標(biāo)的因素有很

11、多，經(jīng)過(guò)對(duì)大量仿真實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)分析，擬定剪跨比、截面剪應(yīng)力水平和配鋼率為主要的影響因素。為了驗(yàn)證上述結(jié)論并找到構(gòu)件性能水準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的微觀物理意義，本課題組將通過(guò)數(shù)值仿真分析、截面分析法和其他學(xué)者實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)相互對(duì)照的方式進(jìn)行驗(yàn)證。圖 1. 構(gòu)件性能水準(zhǔn)和性能限值示意圖（4）典型試驗(yàn)驗(yàn)證上述數(shù)值模擬結(jié)果以及截面分析法的正確性和合理性仍然缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)。因此，為了說(shuō)明其應(yīng)用的合理性和充分性，有必要將上述研究得出的性能表格給出的組合梁變形性能指標(biāo)限值與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證，驗(yàn)證擬通過(guò)盲測(cè)試驗(yàn)進(jìn)行。（三）國(guó)、內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)（1) 基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想

12、最早發(fā)端于新西蘭著名學(xué)者R.Park教授和T.Paulay教授提出的基于能力的抗震設(shè)計(jì)原理，美國(guó)Northbridge地震和日本的Kobe地震以后，基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論隨之被提出，并很快為世界各國(guó)學(xué)者所接受。1995年美國(guó)加州結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會(huì)（SEAOC，Structural Engineer Association of California）Vision 2000委員會(huì)提出了發(fā)展能夠滿足多種結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的、指導(dǎo)結(jié)構(gòu)抗震性能的理論框架，發(fā)布了第一個(gè)技術(shù)文件A Framework for Performance-Based Engineering（SEAOC： Vision 2000）。該文件

13、吸收了Northbridge地震和Kobe地震等震害教訓(xùn)，考慮了地震近場(chǎng)效應(yīng)修改地面運(yùn)動(dòng)模型，采用了最新的地震參數(shù)區(qū)劃圖，改進(jìn)了主體結(jié)構(gòu)與材料相關(guān)的設(shè)計(jì)。Vision 2000根據(jù)建筑物的重要性和設(shè)計(jì)地震水平，提出了不同的性能目標(biāo)。對(duì)每一個(gè)性能目標(biāo)，給出了大量的表格去描述不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷狀態(tài)，但描述大多是定性的，難點(diǎn)在于如何將這些損傷狀態(tài)的描述與分析過(guò)程中得到的工程參數(shù)聯(lián)系起來(lái)。2000年，F(xiàn)EMA349和FEMA356修訂并綜合了FEMA273和FEMA274報(bào)告，更新了能力譜方法。在美國(guó)太平洋地震工程研究中心（PEER）的推動(dòng)下，F(xiàn)EMA在2006年頒布了Next-Gene

14、ration Performance-Based Seismic Design Guidelines（FEMA445）。該報(bào)告的要點(diǎn)是將性能評(píng)估的全過(guò)程分為相對(duì)獨(dú)立又邏輯聯(lián)系的四個(gè)階段：地震危險(xiǎn)性分析、結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析、損傷分析和損失評(píng)估，并通過(guò)各階段得到的變量，即地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)、工程需求指標(biāo)、損傷指標(biāo)和決策變量，將整個(gè)評(píng)估過(guò)程有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)。通過(guò)這一模塊化架構(gòu)，可以比較方便地建立嚴(yán)格的系統(tǒng)性方法，從而將基于性能的地震工程研究所需的多學(xué)科知識(shí)組織起來(lái)，為全面發(fā)展基于性能的抗震設(shè)計(jì)和評(píng)估規(guī)范定下發(fā)展框架。中國(guó)最新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2010）和高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ

15、3-2010）以推薦方法的形式，初步引入了基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想，并給出了推薦性的設(shè)計(jì)建議，但未給出用什么樣的指標(biāo)界定結(jié)構(gòu)構(gòu)件特別是關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度。廣東省地方規(guī)范高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（DBJ15-92-2013）在JGJ3-2010的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入承載力利用系數(shù)和構(gòu)件重要性系數(shù)給出了操作性較強(qiáng)的構(gòu)件性能化設(shè)計(jì)方法。但從本質(zhì)上講，我國(guó)目前的性能化設(shè)計(jì)方法仍然沒(méi)有能夠跳出“半性能化設(shè)計(jì)”的范疇，無(wú)法給出構(gòu)件實(shí)際的抗震性能的界定。王亞勇和李應(yīng)斌等對(duì)基于性能的抗震理論的產(chǎn)生背景、基本內(nèi)容、主要特點(diǎn)以及發(fā)展概況進(jìn)行了闡述，并結(jié)合我國(guó)抗震理論和實(shí)際的現(xiàn)狀就其研究和應(yīng)用的前景進(jìn)行展望。白曉紅

16、和白國(guó)良指出對(duì)性能指標(biāo)的進(jìn)一步量化是基于性能的抗震理論的發(fā)展趨勢(shì)。韓小雷季靜等研究了適用于我國(guó)工程實(shí)踐的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)和評(píng)估方法，提出對(duì)不同水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力和變形采用彈性和彈塑性方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，從結(jié)構(gòu)和構(gòu)件兩個(gè)層次對(duì)承載力和變形進(jìn)行定量控制，并成功將基于性能的抗震方法應(yīng)用在多個(gè)工程的抗震評(píng)估中，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。（2）型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)自1962年開(kāi)始，包括Bryson和Mathey在內(nèi)的國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了很多型鋼混凝土粘結(jié)性能的試驗(yàn)研究。國(guó)內(nèi)外關(guān)于型鋼混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)主要有兩種類型，即推出試驗(yàn)（Push-out test）和短柱試驗(yàn)

17、（short-column test）。Bryson和Mathey于1962年進(jìn)行了最早的推出試驗(yàn)，主要研究型鋼表面狀況對(duì)型鋼混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的影響。Hawkins于1973年進(jìn)行的型鋼混凝土推出試驗(yàn)主要研究了混凝土澆筑位置、型鋼截面尺寸和橫向配箍率對(duì)型鋼混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的影響。Roeder在1984年首次在試驗(yàn)中考慮了粘結(jié)應(yīng)力沿型鋼錨固長(zhǎng)度的變化，研究了粘結(jié)應(yīng)力分布規(guī)律。1999年，Roeder和Robert對(duì)以往的型鋼混凝土粘結(jié)性能的試驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，并進(jìn)行了18個(gè)試件的壓入試驗(yàn)，著重考察了混凝土保護(hù)層厚度、橫向配筋和配箍形式，型鋼截面尺寸、型鋼錨固長(zhǎng)度、加載方式、剪切連接件等對(duì)粘結(jié)

18、強(qiáng)度的影響。西安建筑科技大學(xué)鄭山鎖和李磊對(duì)型鋼高強(qiáng)混凝土梁、框架柱、框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能和受力機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。主要關(guān)注型鋼與高強(qiáng)混凝土的協(xié)同工作性能。清華大學(xué)聶建國(guó)和樊建生對(duì)鋼管混凝土柱、鋼-混凝土組合梁、鋼筋混凝土疊合板的抗震性能進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究。對(duì)型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)在橋梁工程中的應(yīng)用進(jìn)行了有益的探索。梁興文等對(duì)型鋼混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)基于位移的抗震設(shè)計(jì)和評(píng)估方法進(jìn)行了初步的研究，通過(guò)對(duì)相應(yīng)性能目標(biāo)狀態(tài)的宏觀描述，給出了型鋼混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)各性能水平的層間位移角限值。（四）創(chuàng)新點(diǎn)與項(xiàng)目特色本課旨在研究型鋼混凝土梁的仿真建模方式及其變形性能指標(biāo)限值的適用性。主要?jiǎng)?chuàng)新之處說(shuō)明如下：（1）

19、根據(jù)盲測(cè)試驗(yàn)原理研究型鋼混凝土梁構(gòu)件的變形機(jī)理及驗(yàn)證其變形性能指標(biāo)，將真實(shí)試驗(yàn)、仿真試驗(yàn)、程序分析、指標(biāo)預(yù)測(cè)結(jié)果四者相互對(duì)照，能夠較為準(zhǔn)確地得到型鋼混凝土梁的構(gòu)件建模方案以及變形性能水準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。（2） 采用截面分析法來(lái)獲得型鋼混凝土梁的力位移曲線。（3） 運(yùn)用軟件編程的手段來(lái)完成截面分析法的分析過(guò)程。（4） 推廣截面分析法及相應(yīng)程序，使其能夠完成對(duì)其他構(gòu)件在不同加載方式下的性能驗(yàn)證。（五）技術(shù)路線、擬解決的問(wèn)題（1）擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題1）在ABAQUS中不同邊界條件和加載方式下的型鋼混凝土梁的合理建模方式 在確定型鋼混泥土組合梁的變形性能指標(biāo)限制時(shí)，需要使用有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)

20、值分析。分析過(guò)程中的材料本構(gòu)設(shè)置以及建模方式的準(zhǔn)確性是需要解決的問(wèn)題。2）掌握截面分析法的分析方法，通過(guò)編寫(xiě)程序來(lái)運(yùn)用截面分析法 截面分析法是一種獲得構(gòu)件力位移曲線的新手段，只有對(duì)截面分析法有充分的認(rèn)識(shí)，才能編寫(xiě)合理的程序來(lái)完成截面分析法的整個(gè)分析過(guò)程。3）型鋼混凝土梁變形性能指標(biāo)適用性的驗(yàn)證手段 在獲取了型鋼混凝土梁的變形性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，需采用一定的試驗(yàn)手段來(lái)驗(yàn)證性能指標(biāo)的適用性。4）推廣截面分析法及完成截面分析法分析過(guò)程的程序 本課題的性能指標(biāo)驗(yàn)證擬采用懸臂梁加載來(lái)完成，因此截面分析法及其對(duì)應(yīng)的實(shí)行程序是根據(jù)懸臂梁加載方式來(lái)分析的。而對(duì)其他構(gòu)件的多種加載方式，則需要再進(jìn)行針對(duì)性的分析，以

21、此來(lái)對(duì)截面分析法進(jìn)行推廣。（2）研究基礎(chǔ)1） 定義組合構(gòu)件抗震性能水平根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范提出的針對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的7個(gè)水準(zhǔn)小震完好（1*）、中震完好（2*）、基本完好（3*）、輕微損壞（4*）、輕中等破壞（5*）、中等破壞（6*）、不嚴(yán)重破壞（7*）。其中結(jié)構(gòu)處于小震完好、中震完好和基本完好狀態(tài)，對(duì)組合構(gòu)件變形的要求均處于彈性極限位置附近。因此在本課題組在前期工作已將上述前三個(gè)性能水準(zhǔn)均歸為完好狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的組合構(gòu)件變形極限是彈性極限變形，其他性能水準(zhǔn)與整體結(jié)構(gòu)保持一致，因此可得性能水準(zhǔn)示意圖如下：圖 1. 構(gòu)件性能水準(zhǔn)和性能限值示意圖對(duì)于延性破壞，以構(gòu)件材料損傷和塑性變形發(fā)展定義構(gòu)件的抗震性能

22、水準(zhǔn)是有意義的。因此本課題在區(qū)分構(gòu)件破壞類型的前提下，對(duì)延性構(gòu)件將使用上述6個(gè)抗震性能水準(zhǔn)的進(jìn)行破壞形態(tài)描述。2） 各類組合構(gòu)件破壞類型的分類與判別彎曲破壞、剪切破壞、粘結(jié)滑移破壞是三種基本的構(gòu)件破壞類型，同時(shí)由于組合構(gòu)件的破壞過(guò)程具有階段性，比如彎曲破壞發(fā)展到后期會(huì)表現(xiàn)為粘結(jié)滑移破壞的特征等，因此在具體的案例中，會(huì)充分考慮三種基本破壞類型的耦合作用問(wèn)題。彎曲破壞是由正截面抗彎承載力不足引起的破壞；剪切破壞是由斜截面受剪承載力不足引起的破壞；粘結(jié)滑移破壞是由于鋼材和混凝土的粘結(jié)滑移造成協(xié)同工作性能喪失；耦合破壞指由一種破壞類型首先發(fā)展直到其他破壞類型發(fā)展至完全喪失工作性一種破壞類型。組合構(gòu)件的

23、變形性能與其界面粘結(jié)滑移特性有關(guān)，為了考慮粘結(jié)滑移的影響，需要引入較為復(fù)雜的粘結(jié)滑移本構(gòu)模型，這對(duì)計(jì)算和分析帶來(lái)了極大的困難。實(shí)際結(jié)構(gòu)中常用的組合構(gòu)件，多配置足夠的抗剪連接件或其他約束粘結(jié)滑移的構(gòu)造措施，保證組合構(gòu)件材料之間的協(xié)同工作性能。因此，為了使本研究由淺入深、循序漸進(jìn)地進(jìn)行，本課題暫且不考慮粘結(jié)滑移破壞的影響。綜上所述，本課題將采用彎曲破壞、剪切破壞、彎剪破壞（耦合破壞）三種破壞對(duì)于型鋼混凝土的破壞類型進(jìn)行描述。3） 確定型鋼混凝土構(gòu)件的變形性能指標(biāo)限值構(gòu)件變形指標(biāo)可以是構(gòu)件的位移角和彎曲轉(zhuǎn)角。對(duì)于延性彎曲構(gòu)件，位移角和彎曲轉(zhuǎn)角是對(duì)變形的不同度量形式，其中彎曲轉(zhuǎn)角物理意義更為明確，與截

24、面彎矩的關(guān)系也更清晰，但是彎曲轉(zhuǎn)角受構(gòu)件的塑性區(qū)長(zhǎng)度影響顯著；而位移角則與塑性區(qū)長(zhǎng)度的選擇無(wú)關(guān)，因此本課題擬優(yōu)先選用位移角作為組合構(gòu)件變形性能指標(biāo)。 圖 2. 研究分析流程圖基于理論研究成果，初步建立具體的材料應(yīng)變范圍與5個(gè)變形性能水準(zhǔn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系原則，即確定構(gòu)件性能水準(zhǔn)的微觀物理意義，以方便對(duì)數(shù)值仿真分析結(jié)果的分析。對(duì)收集到的組合構(gòu)件試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值分析結(jié)果，首先利用概念初次判斷關(guān)鍵影響因素和次要影響因素；其次利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析，確定影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞類型和變形性能的關(guān)鍵因素，并分析確定各因素的影響水平以及各因素與構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系。保留關(guān)鍵的和敏感的影響因素，忽略次要的和不敏感的影響因

25、素，回歸確定具有一定可靠度的組合構(gòu)件變形性能指標(biāo)限值，并制定各類組合構(gòu)件的指標(biāo)限值表。在本課題開(kāi)展之前，本課題組已經(jīng)取得具有參考意義的鋼筋混凝土梁變形性能指標(biāo)4）影響型鋼混凝土梁變形性能的主要因素 對(duì)于有著不同設(shè)計(jì)參數(shù)和力學(xué)條件的構(gòu)件，影響其變形性能指標(biāo)的因素有很多。在本課題組進(jìn)行之前，部分組員已經(jīng)過(guò)對(duì)大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，擬定剪跨比、截面剪應(yīng)力水平和配鋼率為主要的影響因素，其中以剪跨比為最主要的影響因素。剪跨比指構(gòu)件截面彎矩與剪力和有效高度乘積的比值，既主應(yīng)力與切應(yīng)力之比。在其它因素相同時(shí)，剪跨比越大，抗剪能力越小。配鋼率指型鋼混凝土中，型鋼的面積與構(gòu)件有效面積之比。（3）擬采取的研究方法、

26、研究方案、可行性分析針對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，本課題進(jìn)行了充分的分析，擬采用以下具體方案來(lái)解決上述技術(shù)問(wèn)題。1) 在ABAQUS中對(duì)于不同邊界條件及加載方式采用合理建模方式 在課題組將采用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)型鋼混凝土梁構(gòu)件變形性能指標(biāo)進(jìn)行適用性驗(yàn)證，為了保證驗(yàn)證手段的準(zhǔn)確性，需要保證建模方式的合理性。在課題組目前已完成了對(duì)型鋼混凝土梁的簡(jiǎn)支梁式兩點(diǎn)加載（圖3）以及懸臂梁式加載（圖4）兩種建模方式，并驗(yàn)證了其合理性。 圖3 圖4 A. 簡(jiǎn)支梁式試件（S型）兩點(diǎn)加載PART:由于試件的對(duì)稱性，本課題組只繪制了一半的簡(jiǎn)支梁，通過(guò)設(shè)置正確的邊界條件，來(lái)達(dá)到模擬完整簡(jiǎn)支梁試件的效果（圖5）。圖5

27、簡(jiǎn)支梁式加載建模PROPERTY: 混凝土材料采用塑性損傷本構(gòu)模型，普通鋼筋采用理想彈塑性模型如圖6-a所示，高強(qiáng)鋼筋采用彈塑性雙斜線模型如圖6-c所示，型鋼采用彈塑性加硬化的三折線模型如圖6-b所示。圖6 型鋼與鋼筋本構(gòu) CONSTRAINTS AND BCs:設(shè)置邊界條件是整個(gè)建模過(guò)程中的難點(diǎn)，其中包含了型鋼與混凝土、鋼筋籠與混凝土的接觸關(guān)系，鉸支座的邊界設(shè)置，簡(jiǎn)支梁中央截面的邊界設(shè)置，位移的施加，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置等問(wèn)題。對(duì)于型鋼和混凝土的接觸關(guān)系，本課題組采用embedded嵌入的方式使其變形相互協(xié)調(diào)，以解決不考慮粘結(jié)滑移的模擬問(wèn)題。而對(duì)于鉸支座的邊界設(shè)置，簡(jiǎn)支梁中央截面的邊界設(shè)置則較為復(fù)雜

28、，下文將分別進(jìn)行論述。支座的邊界條件:設(shè)置鉸支座的邊界條件可以分為兩步進(jìn)行。第一步將支座定義為剛體；第二步使用恰當(dāng)約束來(lái)模擬簡(jiǎn)支的作用。A、 由于支座的變形狀況不是本課題關(guān)心的對(duì)象，因此本課題組利用參考點(diǎn)將支座定義為剛體(圖7)。 圖7 簡(jiǎn)支梁支座定義剛體B、 為模擬簡(jiǎn)支的作用，本課題組選擇對(duì)支座的右側(cè)面底邊進(jìn)行約束，約束時(shí)采用限制U1,U2的約束方式(圖8)。 圖8 簡(jiǎn)支梁設(shè)置支座約束簡(jiǎn)支梁中央截面的邊界條件：設(shè)置簡(jiǎn)支梁中央截面的邊界條件同樣需要分兩步進(jìn)行。第一步設(shè)置約束；第二步耦合位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。A、 由于簡(jiǎn)支梁構(gòu)件的對(duì)稱性，在對(duì)截面進(jìn)行約束時(shí)，本課題組采用對(duì)稱約束的方式，具體是對(duì)U3,UR1

29、,UR2的約束（圖9）。 圖9 簡(jiǎn)支梁徑中設(shè)置約束B(niǎo)、 耦合位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，最主要的問(wèn)題是需要避免過(guò)度約束。在第一次建模時(shí)，本課題組將整個(gè)中央截面與監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行，在warning中出現(xiàn)了過(guò)約束的警告，在submit之后生成了一個(gè)混亂的錯(cuò)誤曲線(圖10)。由于截面底部線段上的點(diǎn)在加載過(guò)程中可以近似成一種平動(dòng)的關(guān)系，因此本課題組在耦合監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)選用了截面底部線段(圖12），此時(shí)有效的避開(kāi)了截面過(guò)約束的問(wèn)題。圖10 過(guò)約束產(chǎn)生錯(cuò)誤的力位移曲線 圖11 正確的力位移曲線圖12 設(shè)置正確的位移耦合條件JOB:完成上述的關(guān)鍵邊界條件設(shè)置，本課題組獲得力-位移曲線(圖11），與現(xiàn)實(shí)中的力-位移曲線的趨勢(shì)相吻合，以

30、此證明建模方式的準(zhǔn)確性。B、懸臂梁式加載建模時(shí)關(guān)鍵位置依舊在于邊界條件的設(shè)置，但相對(duì)模擬簡(jiǎn)支梁加載來(lái)說(shuō)，難度下降了不少。水平位移施加點(diǎn)同時(shí)也充當(dāng)一個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)作用(圖13)；底部基礎(chǔ)梁則對(duì)整個(gè)底面進(jìn)行全方位（U1,U2,U3,UR1,UR2,UR3）的約束,以此模擬構(gòu)件與底部剛接的效果（圖14）。從輸出文件的力位移曲線（圖15）可得，此建模方式合理。 圖13 施加位移及檢測(cè)位移 圖14 懸臂梁設(shè)置底部約束圖15 懸臂梁加載的力-位移曲線除簡(jiǎn)支梁兩點(diǎn)加載、懸臂梁式加載外，常見(jiàn)的加載方式還有簡(jiǎn)支梁?jiǎn)吸c(diǎn)加載等。在課題進(jìn)行中，本課題組將在已有的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要建立準(zhǔn)確的模型對(duì)構(gòu)件進(jìn)行必要的數(shù)值分析。2

31、） 運(yùn)用截面分析法來(lái)獲取結(jié)構(gòu)力位移曲線本課題在驗(yàn)證型鋼混凝土梁的性能指標(biāo)時(shí)，運(yùn)用懸臂梁加載方式（圖16）進(jìn)行驗(yàn)證，因此截面分析法也將基于懸臂梁加載方式來(lái)進(jìn)行分析。為能夠更好的描述分析過(guò)程，本課程組繪制了一個(gè)簡(jiǎn)易的截面分析法流程圖（圖17）圖16 試驗(yàn)采用的懸臂加載方式圖17 截面分析法流程步驟:利用構(gòu)件的相關(guān)信息(如構(gòu)件配鋼率、構(gòu)件長(zhǎng)度等)，計(jì)算獲得構(gòu)件截面的彎矩曲率圖像（圖18）。H=0為構(gòu)件的懸臂端，H1為構(gòu)件的固接端。My、Mu、H(2)的具體意義在圖中已有給出。當(dāng)彎矩為Mu時(shí)，我們可以獲得Mu-H關(guān)系曲線，其斜率既為V(max)，此時(shí)My所對(duì)應(yīng)的H值即為H(2)。圖18 構(gòu)件截面彎矩曲

32、率圖像步驟:V為懸臂頂端所受的剪力，此時(shí)V取值范圍為0,V(max)，在區(qū)間內(nèi)選取n個(gè)V值（n越大,力-位移曲線更精確）。步驟:A、當(dāng)V值對(duì)應(yīng)圖像中M=M1<Mu,在截面彎矩曲率圖像中，我們可以獲得圖像與M=M1的2個(gè)交點(diǎn)，設(shè)左側(cè)點(diǎn)交點(diǎn)為（1，M1）右側(cè)交點(diǎn)為（1，M1）。通過(guò)任意交點(diǎn)都可以形成一個(gè)構(gòu)件彎矩-曲率圖像:1、 左側(cè)交點(diǎn)（1，M1）M值未達(dá)到Mu，截面彎矩曲率圖像在(0, 1)范圍內(nèi)的圖像即為構(gòu)件的彎矩曲率圖像。2、 右側(cè)交點(diǎn)（1，M1）M值已達(dá)到Mu后下降至M1，此時(shí)過(guò)點(diǎn)（2，M2）（1，M1）作二次曲線與點(diǎn)（2，M2）相切（如圖 中的虛線線段）。此時(shí)獲得構(gòu)件彎矩曲率圖像，

33、分別為彈性變形時(shí)的直線線段以及彈塑性變形的虛線線段。B、當(dāng)V值對(duì)應(yīng)圖像中M=Mu時(shí)，僅可獲得一個(gè)構(gòu)件彎矩曲率圖像，為截面彎矩曲率圖像的上升段。步驟：根據(jù)M=V*H，獲得構(gòu)件高度曲率圖像。步驟：利用反函數(shù)獲得構(gòu)件曲率高度圖像。步驟：通過(guò)兩次積分獲得構(gòu)件位移高度圖像。步驟：帶入H=0獲得構(gòu)件頂部位移，即獲得力位移曲線上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。步驟：描點(diǎn)連線獲得構(gòu)件力位移曲線。整個(gè)截面分析若單純使用手算，會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間與靜力。因此本課題組擬自行編寫(xiě)程序，通過(guò)程序來(lái)完成截面分析的整個(gè)分析過(guò)程，編程語(yǔ)言擬采用C#。程序完成后，僅需導(dǎo)入型鋼混凝土梁的相關(guān)信息即可獲得型鋼混凝土梁的力位移曲線。3）截面分析法的推廣上文中

34、敘述的截面分析法，是本課題組基于對(duì)型鋼混凝土梁的懸臂加載試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行分析的。而對(duì)于其他加載方式下構(gòu)件的性能分析，則上述截面分析法的適用性需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。因此，本課題組擬通過(guò)對(duì)比ABAQUS與截面分析法的分析結(jié)果來(lái)驗(yàn)證截面分析法在其余加載方式下的適用性。4）型鋼混凝土梁變形性能指標(biāo)適用性的驗(yàn)證手段為驗(yàn)證型鋼混凝土梁變形性能指標(biāo)的適用性，本課題組擬采用設(shè)計(jì)構(gòu)件盲測(cè)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行適用性驗(yàn)證。1、 首先設(shè)計(jì)少量的典型構(gòu)件，利用已經(jīng)取得的構(gòu)件變形性能指標(biāo)限值表，預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)構(gòu)件的性能指標(biāo)限值。2、 然后對(duì)典型構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)試驗(yàn)得到真實(shí)的構(gòu)件性能指標(biāo)限值。3、 最后對(duì)比分析判斷結(jié)果的適用性和準(zhǔn)確性：1） 如果多個(gè)構(gòu)件的預(yù)測(cè)結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果誤差超限，則證明該表格實(shí)用性極差甚至是錯(cuò)誤的，應(yīng)分別檢查試驗(yàn)和表格，分析預(yù)測(cè)失敗的原因；2） 如果僅有少數(shù)構(gòu)件的預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差超限，則證明表格具有一定的適用性和準(zhǔn)確性，應(yīng)該充分分析表格和試驗(yàn)，分析少數(shù)試件預(yù)測(cè)失敗的原因，對(duì)表格進(jìn)行修正或進(jìn)行更多的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)驗(yàn)證；3） 如果全部構(gòu)件預(yù)測(cè)結(jié)果誤差均未超限，則證明該表格具有較強(qiáng)的適用性和準(zhǔn)確性，此時(shí)即可認(rèn)定已經(jīng)取得的構(gòu)件變形性能指標(biāo)限值具有足夠的工程應(yīng)用的準(zhǔn)確性和適用性。本課題擬在對(duì)指標(biāo)限值驗(yàn)證的同時(shí)，進(jìn)行數(shù)值盲測(cè)試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證。若實(shí)驗(yàn)室未達(dá)到試驗(yàn)條件，本課題組將收