15国创申报0509

国家级大学生创新训练项目申报书项目编号：项目名称：基于有限元数值分析及截面分析法的型钢混凝土梁变形性能指标验证项目负责人：吴梓楠项目管理学院：土木与交通学院指导教师：季静华南理工大学教务处二〇一五年四月1填写说明1.创新训练项目是本科生个人或团队，在导师指导下，自主完成创新性实验方法的设计、设备和材料的准备、实验的实施、数据处理与分析、总结报告撰写等工作。2.申报书请按顺序逐项填写，填写内容必须实事求是，表达明确严谨，简明扼要。空缺项要填“无”。3.“项目编号”一栏不填；“项目管理学院”原则上为项目负责人所在学院。4.申请参加大学生创新创业训练计划项目团队的人数含负责人在内不得超过5人。5.填写时可以改变字体大小等，但要确保表格的样式不变；填写完后用A4纸张双面打印，左侧装订成册。6.申报过程有不明事宜，请与学校教务处实践教学管理办公室联系。2一、基本情况二、立项依据（加页详述）（一）研究目的地震是危害人类的严重自然灾害之一，在很多国家，地震是主要的自然灾害。中国人民受到的地震灾害尤为重要，地震造成的人员伤亡，中国居世界首位。地震灾害已经受到全人类的重视，并引发科学界对其进行深入研究和防范。人们开始考虑什么样的结构才能减少地震带来的损失，于是便对结构进行了一系列的抗震设计。最早的结构抗震设计是抗力设计，但是地震工程的经验告诉我们，地震烈度提高一度，地震能量增加十倍左右，此时单纯依靠抗力来抵抗地震作用，结构底层柱墙截面要提高数倍才能满足抗力的需求。这是目前在建的高层、超高层结构都无法接受的。引入延性设计思想以后，工程师开始巧项目名称基于有限元数值分析及截面分析法的型钢混凝土梁变形性能指标验证所属学科土木工程项目起止时间2015年5月至2016年7月负责人姓名吴梓楠性别男民族汉出生年月1994.10学号201330202403学院土木与交通学院专业班级土木工程卓越全英班年级2013联系电话[e-mail]参与科研情况2015年3月以团队负责人的身份，成功申报中央高校基本科研业务费本科生自主选题项目，课题为“型钢混凝土梁变形性能试验研究及其变形性能指标适用性验证”。项目组成员姓名年级所在学院、专业联系电话E-mail谢五宁2013土木与交通学院土木工程[e-mail]彭出2013土木与交通学院土木工程[e-mail]孔志豪2012土木与交通学院土木工程[e-mail]吴培均2012土木与交通学院土木工程[e-mail]指导教师姓名所在学院职务/职称联系电话E-mail季静土木与交通学院教授[e-mail]承担科研课题情况主持和参加省部级、校级及横向科研项目三十余项，在国内外学术刊物和学术会议论文集中发表科研论文60余篇，其中有30余篇被三大（SCI，EI，ISTP）索引，出版教材和专著5部。3妙地利用结构进入延性阶段以后的变形能力来耗散地震能量，结构截面尺寸得到极大的降低。在延性抗震思想的指导下，现代建筑越来越高，人类建筑高度的极限，一次次被打破。结构设计思想从抗力设计到延性设计的思想转变带来了极大的经济效益，在节约资源的同时，也极大地保证了人民的生命财产安全。然而随着国家经济技术水平的发展和人民生活水平的提高，特别是在大型城市，由于主体结构本身的过大变形导致建筑功能特别是生命线工程功能中断带来的间接社会经济损失是人们难以承受的。于是美国学者最先提出了基于性能的抗震理论，并很快为世界各国学者所接受。基于性能的结构抗震思想的本质是在综合考虑建筑、结构功能的前提下，对结构的塑性变形提出必要的限制，在保证结构抗震安全性的前提下，将社会经济损失降低到可以承受的水平。目前，基于性能的抗震设计主要集中在钢筋混凝土构件方面的理论和试验研究，而对型钢混凝土组合结构构件的变形性能的研究尚缺乏。相比于钢筋混凝土构件，型钢混凝土构件有很多优点，比如说：变形性能强、抗震性能好、可以配置更多钢材、加快施工速度和节省模板支撑等等。由此可见，研究型钢混凝土组合结构构件的变形性能会更加完善基于性能的抗震设计方法，从而推动人类抗震设计方法的进步，造福每一个人。研究型钢混凝土组合结构构件的变形性能最直接的方法是进行批量的试件试验，但这样会耗费大量资金和时间。利用对典型试件的实验以及有限元软件ABAQUS的数值仿真模拟试验，通过单因素分析，考察各类构件参数对构件抗震变形性能的影响，取得型钢、混凝土和粘结界面破坏和损伤发展过程，确定各类组合构件的变形性能指标限值。而变形性能指标的适用性，则需要采取一定的手段进行验证。因此本课题组拟通过有限元分析软件及截面分析法对性能指标进行验证，若条件允许也将选取部分典型试件进行试验验证。于此同时，本课题组将推广截面分析法，让其功能不仅仅局限与对型钢混凝土梁的性能验证，并且能够完成对其他构件在不同加载方式下的性能验证。（二）研究内容（1）型钢混凝土梁不同破坏类型的力-应变关系，裂缝开展特征，破坏形态，以及影响其力学性能的条件。研究型钢混凝土梁变形性能指标限值，首先要对其在不同破坏类型状态下的裂缝和变形有较深入的认识。所以，本课题组首先以西安建筑科技大学的王朝霞教授对型钢混凝土梁的破坏过程和影响构建变形的不同因素的研究结果为主进行学习，了解型钢混凝土梁弯曲破坏，斜压破坏，弯剪破坏等不同破坏类型的特点。学习其从加载到破坏过程中的力-应变曲线与混凝土开裂强度，型钢屈服强度，构件破坏强度等指标的关系，了解钢筋应力，型钢应力，配钢率，梁截面尺寸，保护层厚度等因素对其裂缝发展的影响。4（2）熟悉ABAQUS数值分析的方法，并研究型钢混凝土梁在数值仿真分析中的合理建模方式，包括材料的本构关系以及截面边界条件的选取。本课题组主要通过数值仿真分析对型钢混凝土梁进行研究，所以其建模方法的科学与有效性至关重要。而型钢混凝土梁建模过程中混凝土、钢筋、型钢的本构选择，网格划分的密度，单元类型的选择，约束条件的定义等都需要通过数值仿真试验与实际试验的对比不断进行校正，才能合理地模拟型钢混凝土梁从加载到破坏的过程。（3）合理运用截面分析法，通过课题组自主编写的程序来完成截面分析法的验证过程，并拓展截面分析法的适用范围。截面分析法提供以一种除有限元数值分析之外，能够与试验相互结合来验证性能指标的新途径。在本课题实行之前，本课题组部分成员已具备一定的软件编程能力，通过对截面分析法的熟悉掌握来编写合理的程序，利用程序导出构件的力—位移曲线，同时与试验结果相互结合来验证性能指标的适用性。除此之外，本课题组将研究如何打破截面分析法的局限性，让截面分析法及相应程序能够成功验证其他构件在不同加载方式下的性能。（3）验证型钢混凝土梁构件变形性能指标的适用性。华南理工大学高层建筑研究所对型钢混凝土梁进行了大量的研究，现已获得其变形性能指标，该指标选用位移角作为度量标准，并定量地将构件变形性能水准划分为完好，轻微破坏，轻重等破坏，中等破坏，不严重破坏，严重破坏六个等级，对应五个变形指标限值(见图1)。对于有着不同设计参数和力学条件的构件，影响其变形性能指标的因素有很多，经过对大量仿真实验的统计分析，拟定剪跨比、截面剪应力水平和配钢率为主要的影响因素。为了验证上述结论并找到构件性能水准对应的微观物理意义，本课题组将通过数值仿真分析、截面分析法和其他学者实验室实验的数据相互对照的方式进行验证。严重破坏(6)不严重破坏(5)中等破坏(4)轻中等破坏(3)轻微破坏(2)完好(1)极限值1极限值2极限值3极限值4极限值5图1.构件性能水准和性能限值示意图（4）典型试验验证上述数值模拟结果以及截面分析法的正确性和合理性仍然缺乏试验验证的基础。因此，为了说明其应用的合理性和充分性，有必要将上述研究得出的性能表格给出的组合梁变形性能指标限值与试验结果进行比较验证，验证拟通过盲测试验进行。5（三）国、内外研究现状和发展动态（1)基于性能的抗震设计理论研究现状和发展动态基于性能的抗震设计思想最早发端于新西兰著名学者R.Park教授和T.Paulay教授提出的基于能力的抗震设计原理，美国Northbridge地震和日本的Kobe地震以后，基于性能的抗震设计理论随之被提出，并很快为世界各国学者所接受。1995年美国加州结构工程师协会（SEAOC，StructuralEngineerAssociationofCalifornia）Vision2000委员会提出了发展能够满足多种结构性能目标的、指导结构抗震性能的理论框架，发布了第一个技术文件《AFrameworkforPerformance-BasedEngineering（SEAOC：Vision2000）》。该文件吸收了Northbridge地震和Kobe地震等震害教训，考虑了地震近场效应修改地面运动模型，采用了最新的地震参数区划图，改进了主体结构与材料相关的设计。Vision2000根据建筑物的重要性和设计地震水平，提出了不同的性能目标。对每一个性能目标，给出了大量的表格去描述不同的结构构件和非结构构件的损伤状态，但描述大多是定性的，难点在于如何将这些损伤状态的描述与分析过程中得到的工程参数联系起来。2000年，FEMA349和FEMA356修订并综合了FEMA273和FEMA274报告，更新了能力谱方法。在美国太平洋地震工程研究中心（PEER）的推动下，FEMA在2006年颁布了《Next-GenerationPerformance-BasedSeismicDesignGuidelines（FEMA445）》。该报告的要点是将性能评估的全过程分为相对独立又逻辑联系的四个阶段：地震危险性分析、结构反应分析、损伤分析和损失评估，并通过各阶段得到的变量，即地震动强度指标、工程需求指标、损伤指标和决策变量，将整个评估过程有机地联系起来。通过这一模块化架构，可以比较方便地建立严格的系统性方法，从而将基于性能的地震工程研究所需的多学科知识组织起来，为全面发展基于性能的抗震设计和评估规范定下发展框架。中国最新国家标准《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）和《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）以推荐方法的形式，初步引入了基于性能的抗震设计思想，并给出了推荐性的设计建议，但未给出用什么样的指标界定结构构件特别是关键结构构件的损伤程度。广东省地方规范《高层建筑混凝土结构技术规程》（DBJ15-92-2013）在JGJ3-2010的基础上，通过引入承载力利用系数和构件重要性系数给出了操作性较强的构件性能化设计方法。但从本质上讲，我国目前的性能化设计方法仍然没有能够跳出“半性能化设计”的范畴，无法给出构件实际的抗震性能的界定。王亚勇和李应斌等对基于性能的抗震理论的产生背景、基本内容、主要特点以及发展概况进行了阐述，并结合我国抗震理论和实际的现状就其研究和应用的前景进行展望。白晓红和白国良指出对性能指标的进一步量化是基于性能的抗震理论的发展趋势。6韩小雷﹑季静等研究了适用于我国工程实践的钢筋混凝土结构基于性能的抗震设计和评估方法，提出对不同水准地震作用下结构构件的受力和变形采用弹性和弹塑性方法进行结构分析，从结构和构件两个层次对承载力和变形进行定量控制，并成功将基于性能的抗震方法应用在多个工程的抗震评估中，取得了显著的经济效益。（2）型钢混凝土组合结构构件研究现状和发展动态自1962年开始，包括Bryson和Mathey在内的国内外学者进行了很多型钢混凝土粘结性能的试验研究。国内外关于型钢混凝土粘结强度的试验主要有两种类型，即推出试验（Push-outtest）和短柱试验（short-columntest）。Bryson和Mathey于1962年进行了最早的推出试验，主要研究型钢表面状况对型钢混凝土粘结强度的影响。Hawkins于1973年进行的型钢混凝土推出试验主要研究了混凝土浇筑位置、型钢截面