基于夹芯层分层壳单元的混凝土结构受力分析方法及应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于现诱混凝±空屯、楼板、空屯、剪力墙、复合墙板结构W及配筋搁块搁体 剪力墙等一系列夹巧混凝上墙或板结构的静动力弹塑性分析技术领域，具体设及一种基于 夹巧层分层壳单元的混凝±结构受力分析方法及应用。
【背景技术】
[0002] 现诱混凝±空屯、楼板、空屯、剪力墙、复合墙板结构W及配筋搁块搁体剪力墙等一 系列夹巧混凝±墙或板结构，其内部因存在不连续的圆洞或方洞，导致其内部受力异常复 杂，尤其是其弹塑性力学行为很难被准确高效的计算出来。
[0003] 当前，实体单元精细化建模，尽管能准确反映结构的裂缝、钢筋屈服等非线性力学 行为，但要求单元数量多，计算效率低，很难用于整体结构的大规模静动力弹塑性分析。W 等效梁模型、=垂直杆元模型为代表的宏观分析方法，尽管计算效率高，但无法深入构件截 面内部展现构件损伤的具体位置及大小，无法满足计算精度要求。
[0004] 因此，亟待采用一种新型的有限元分析单元，使其可W解决夹巧混凝上结构的大 规模快速准确计算，适用实际工程的静动力弹塑性分析。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的之一在于提供一种基于夹巧层分层壳单元的混凝±结构受力分析 方法，该方法可快速准确的实现现诱混凝±空屯、楼板、空屯、剪力墙、复合墙板结构W及配筋 搁块搁体剪力墙等一系列夹巧（空屯、或填巧孔洞）混凝±墙或板结构的静动力弹塑性分 析。
[0006] 本发明基于夹巧层分层壳单元的混凝±结构受力分析方法，包括如下顺序的步 骤：
[0007] (1)W筒状巧为例，分别采集夹巧混凝上构件的截面宽度B和高度H，夹巧孔洞半 径r、孔洞数n，夹巧材料弹性模量E、泊松比y及本构模型基本力学参数；
[000引 （2)设置两条且对称于截面中性轴的连续夹巧条带层W等效实际构件截面中非连 续的夹巧孔洞层，建立夹巧层分层壳单元；
[0009] 做根据步骤（1)采集到的B、H、rW及n参数，由面积相等原则，建立W下等式：
[0010] n3ir'= 2Bh (1);
[0011] 根据抗弯刚度相等原则，建立W下等式：
[0012]
(2)；
[001引由式（1)~似求解，可得夹巧层厚度h和距中性轴距离X:
[0014]
(3);
[0015] (4)基于分层壳单元原理，根据连续夹巧层厚度h和距中性轴距离X对夹巧混凝± 墙或板构件沿厚度方向进行层划分，确定夹巧层、混凝±层和钢筋层数量、厚度W及在厚度 方向上的具体位置；
[0016] (5)根据实际夹巧材料弹性模量E、泊松比y及本构模型基本力学参数设置分层 壳单元中夹巧层材料属性，对实际为空屯、孔洞的通过将夹巧层弹性模量设置为相对很小的 数值予W考虑，比如按混凝±弹性模量的1%考虑；
[0017] (6)根据实际夹巧，空屯、或填巧孔洞的混凝±墙或板构件受力情况，建立基于夹巧 层分层壳单元的有限元分析模型，实现结构的静动力弹塑性分析。
[0018] 本发明的目的之二在于提供上述基于夹巧层分层壳单元的混凝±结构受力分析 方法的应用，该应用是；对大型通用有限元商业软件中分层壳单元进行相关等效计算后，使 用或编制相关子程序模块嵌套于大型通用有限元商业软件中后使用。
[0019] 本发明的有益效果是；提供了一种适用于现诱混凝±空屯、楼板、空屯、剪力墙、复合 墙板结构W及配筋搁块搁体剪力墙等一系列夹巧（空屯、或填巧孔洞）混凝±墙或板结构的 夹巧层分层壳单元。该单元不仅能高效准确的实现大规模夹巧混凝±结构静动力弹塑性分 析，而且能深入混凝±构件内部全面反映夹巧混凝±构件内部的钢筋、混凝±^及夹巧层 的非线性受力性能，彻底解决了目前大型夹巧混凝±结构普遍存在的难W被高效准确计算 的问题。
【附图说明】
[0020] 图1是夹巧混凝±结构实际夹巧孔洞分布俯视图。
[0021] 图2是图1中的1-1剖面图。
[0022] 图3是图2的夹巧层等效示意图。
[0023] 图4是本发明实施例的现诱混凝±空屯、板层夹屯、层壳单元示意图。
[0024] 图5是用于程序计算的夹巧层分层壳单元示意图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
[0026] 参见图1至图3,本发明基于夹巧层分层壳单元的混凝±结构受力分析方法，包括 如下步骤：
[0027] 步骤一：分别采集夹巧混凝±结构构件宽度B和高度H，孔洞半径r(W筒状孔洞 为例），孔洞数n。
[002引步骤二；设置两条且对称分布于截面中性轴1的连续夹巧条带层2W等效实际构 件截面中非连续的夹巧孔洞，建立夹巧层分层壳单元；将夹巧混凝±中复杂非连续的夹巧 孔洞根据面积和抗弯刚度原则等效为两条对称于构件截面中性轴1的连续夹巧条带层2， 从而使得结构静动力弹塑性分析时，不仅计算效率大大提高，而且精度也有保证，解决了目 前夹巧混凝±结构大规模静动力弹塑性分析无法实现计算的难题。图中，3为钢筋层。
[0029] 步骤S;根据步骤1采集到B、H、rW及n等参数，由面积相等原则，建立W下等式：
[0030] n3ir'= 2Bh (1)
[0031] 根据抗弯刚度相等原则，建立W下等式：
[0032]
(2)
[003引 由式（1)~似求解，可得夹巧层厚度h和距中性轴距离X :
[0034]
(3)
[0035] 步骤四；基于分层壳单元原理，根据连续夹巧层厚度h和对截面中性轴的距离X对 夹巧混凝±墙或板构件沿厚度方向进行层划分，确定夹巧层、混凝±层和钢筋层数量、厚度 W及在厚度方向上的具体位置；
[0036] 步骤五；根据实际夹巧材料弹性模量E、泊松比y及本构模型等基本力学参数设 置分层壳单元中夹巧层材料属性，对实际为空屯、孔洞可通过将夹巧层弹性模量设置为相对 很小的数值（例如按混凝±弹性模量的1%考虑）予W考虑；对实际为空屯、孔洞的夹巧材 料，通过将夹巧层弹性模量设置为相对很小的数值予W考虑，实现了现诱混凝上空屯、楼板 和空屯、剪力墙中空屯、孔洞的高效准确模拟。
[0037] 步骤六；根据实际夹巧（空屯、或填巧孔洞）混凝±墙或板等构件受力情况，建立基 于夹巧层分层壳单元的有限元分析模型，实现结构的静动力弹塑性分析。
[003引下面W某单向板试验为例，对本发明进行说明。试验板尺寸及材料参数详见表1。
[0039] 表1 ;某单向试验板截面尺寸及材料参数
[0040]
[0041] 由式（3)对表1各试验单向空屯、板进行计算，可得空屯、层厚度及距中性轴的距离， 并对混凝±空屯、楼板进行层划分，如表2和图4所示。其中"S"为顺筒向，"H"为横筒向， 表2中"空屯、层"距中性轴的距离是根据实际顺筒或横筒向实际刚度由式（3)计算得到。
[0042] 表2 ;试验板的分层壳单元分层列表
[0043]
[0044] 目前，就工程界广泛采用的现诱混凝±空屯、楼板、空屯、剪力墙、复合墙板结构W及 配筋搁块搁体剪力墙等一系列夹巧混凝±结构中，实际夹巧孔洞分布在纵横两个方向上抗 弯刚度相差一般不超过10%，若相差过大则夹巧层分层壳单元就不再适合。
[0045] 参见图5,本发明用于夹巧混凝±结构受力分析的夹巧层分层壳单元，可对目前 大型通用有限元商业软件中分层壳单元进行相关等效计算后、使用或编制相关子程序模块 嵌套于大型通用有限元商业软件中后使用。图5中，X(u)，Y(v)和Z(w)为整体坐标系； CC，n则为壳单元局部坐标。
【主权项】
1. 一种基于夹芯层分层壳单元的混凝土结构受力分析方法，其特征在于包括如下顺序 的步骤： (1) 以筒状芯为例，分别采集夹芯混凝土构件的截面宽度B和高度H，夹芯孔洞半径r、 孔洞数n，夹芯材料弹性模量E、泊松比μ及本构模型基本力学参数； (2) 设置两条且对称于截面中性轴的连续夹芯条带层以等效实际构件截面中非连续的 夹芯孔洞层，建立夹芯层分层壳单元； ⑶根据步骤⑴采集到的B、H、r以及η参数，由面积相等原则，建立以下等式： η π r2 = 2Bh (I)； 根据抗弯刚度相等原则，建立以下等式：由式（1)~（2)求解，可得夹芯层厚度h和距中性轴距离X :(4) 基于分层壳单元原理，根据连续夹芯层厚度h和距中性轴距离X对夹芯混凝土墙或 板构件沿厚度方向进行层划分，确定夹芯层、混凝土层和钢筋层数量、厚度以及在厚度方向 上的具体位置； (5) 根据实际夹芯材料弹性模量E、泊松比μ及本构模型基本力学参数设置分层壳单 元中夹芯层材料属性，对实际为空心孔洞的通过将夹芯层弹性模量设置为相对很小的数值 予以考虑，比如按混凝土弹性模量的1%考虑； (6) 根据实际夹芯，空心或填芯孔洞的混凝土墙或板构件受力情况，建立基于夹芯层分 层壳单元的有限元分析模型，实现结构的静动力弹塑性分析。2. -种如权利要求1所述基于夹芯层分层壳单元的混凝土结构受力分析方法的应用， 其特征在于：对大型通用有限元商业软件分层壳单元进行相关等效计算后，使用或编制相 关子程序模块嵌套于大型通用有限元商业软件中后使用。
【专利摘要】本发明公开了一种基于夹芯层分层壳单元的混凝土结构受力分析方法及应用。本发明主要是：根据夹芯混凝土墙或板结构中实际夹芯孔洞面积和受弯刚度相等原则确定分析单元中连续夹芯层的厚度h和对截面中性轴距离x；基于分层壳单元原理，根据计算得到的h和x，对夹芯混凝土墙或板构件沿厚度方向进行层划分，确定夹芯层、混凝土层和钢筋层数量、厚度以及在厚度方向上的具体位置；根据实际夹芯材料力学属性等要求设置分层壳单元中夹芯层材料属性，对实际为空心孔洞可通过将夹芯层的弹性模量设置为相对很小的数值予以考虑；根据实际夹芯混凝土墙或板等结构受力情况，建立基于夹芯层分层壳单元的有限元分析模型，实现结构的静动力弹塑性分析。
【IPC分类】G06F19/00, G06F17/50
【公开号】CN104881584
【申请号】CN201510311764
【发明人】吕伟荣, 吴彬, 李强, 徐昌慧, 刘雪梅, 祝明桥, 黄海林
【申请人】湖南科技大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月9日