本文是一篇工程论文，本文使用ABAQUS有限元分析软件，对十形、T形和L形三种不同截面形式的高强钢筋混凝土异形柱进行低周往复加载模拟试验，验证了所建立的异形柱有限元模型准确性；
第1章绪论
1.1课题研究的背景和意义
在我国传统住房建筑中，砌体结构以其造价低廉、建设方便等优点使用较多，但其抗震性能弱和建设材料污染环境限制它的发展。我国高层建筑的规模日益壮大，适用于高层住宅的剪力墙或框架—剪力墙结构虽然整体性好，侧向刚度较大，但是这种结构自重大、造价较高。我国当代建筑结构向大跨、高层和重载的方向发展，这种趋势会让柱子承受的竖向荷载变大，设计人员一般会增大柱截面面积来承担更大的轴压力，但会使柱子变为“胖柱”，对结构抗震产生不利影响；并且当柱子截面尺寸和墙体厚度不一致时，会导致柱与墙的交界处出现棱角，影响室内美观，不利于人们工作生活。
为了践行“绿水青山就是金山银山”的发展理念，节约建筑材料和减轻结构自重，同时也为了增大结构空间，建筑工程中以钢筋混凝土框架进行承重并配有轻质填充墙的框架结构可以满足目前的发展需求。因此，为了满足抗震设计中“强柱弱梁”的思想和改善室内设计，可以考虑将传统矩形截面混凝土柱转变为十形、T形和L形等截面的混凝土柱，使柱肢宽度与墙同厚，并在柱中采用较高强度钢筋和混凝土，这有希望成为未来房屋建设的主流住宅体系。
异形柱截面形状通常为十形、T形和L形，在2017版异形柱规程中加入了Z形截面柱，异形柱可以替代一般矩形框架柱作为竖向支撑构件，避免柱子在室内凸出，使室内设计更具灵活性。异形柱结构一般用在多层住宅中，角柱和边柱往往设置成L形和T形，中柱设置成十形。
1.2国内外研究现状及分析
1.2.1异形柱承载能力研究现状
冯建平等[1]制作了15根L形柱并对其施加横向作用力，根据有无配置箍筋对试件的破坏形态进行分析，并总结出L形柱在不同破坏形式下的抗剪承载力公式，根据工程实际对各种情况下的公式进行修正，从而得到一个适用所有情况的抗剪承载力公式。
康谷贻和巩长江[2]为了研究T形和L形柱在单调和低周反复荷载下的受剪情况，制作了27根缩尺异形柱，分析了试件翼缘、低周反复荷载、斜向水平荷载和弯矩比对异形柱受剪承载力的影响，并提出T形和L形柱斜截面受剪承载力的建议公式。陈云霞、高云海等[3]设计了15根T形柱以及和T形柱截面面积、宽高比相同的矩形柱作为对照组。试件正截面承载能力试验值和电算程序得到的计算值的比值在1.006和1.397之间，并且设计中考虑到了最不利荷载角的影响。
赵艳静等[4]为了研究T形和Ｌ形双向压弯构件的承载力，制作了17根试件，并设计2根矩形柱进行对照。在分析试验数据以及根据电算程序的基本原理和假定的基础上，编制了正截面承载力的计算程序。王滋军等[5]收集了三种计算L形柱正截面承载力的方法，并基于矩形截面的算法对参数进行修正，提出了计算结果与试验结果误差较小的修正后的承载力公式。
王依群、赵艳静等[6]根据文献资料修正了原有公式的不足，在不考虑箍筋约束的情况下，总结出等肢L形、T形和十形柱正截面极限承载力的变化规律，提出了L形、T形和十形柱双向偏心受压承载力N-Mx-My相关曲线的拟合公式。赵彤等[7]制作了9根试验柱，控制参数为轴压比、剪跨比、加载角度和配箍率。根据试件的破坏形式和影响因素的不同，作者建议了与试验结果吻合较好的高强混凝土L形柱抗剪承载力的计算公式。
第2章高强钢筋混凝土异形柱有限元分析模型
2.1高强钢筋混凝土异形柱有限元模型建立
2.1.1几何模型的建立
有限元建模过程：通过绘图工具绘制异形柱的截面，选择钢筋所需的桁架模型。拉伸截面，建立三维实体模型。在功能栏通过阵列将单个纵筋和箍筋复制为钢筋笼，通过布尔运算将整个钢筋笼变为一个整体[79-81]。根据试验试件尺寸完成混凝土（实体模型）和钢筋（桁架模型）的组装。ABAQUS中有三种处理钢筋和混凝土界面接触的方式，第一是设置spring单元连接钢筋和混凝土单元；第二是用embedded方式将钢筋笼内置于混凝土之中；第三是采用钢筋子程序用等效替代的思想考虑钢筋与混凝土粘结滑移。利用spring单元模拟钢筋与混凝土之间的粘结滑移工作量大且易出错，计算收敛困难。embedded内置区域对钢筋产生过约束，但是计算速度快效率高。通过定义子程序考虑钢筋混凝土粘结滑移的本构得到的滞回曲线捏缩较为严重，但对计算效率和收敛难易程度的影响较小。考虑到最终结果，选择用embedded方式来模拟钢筋和混凝土之间的接触。
以文献[48]的柱十60L、柱T60H、柱L60H为例，建立高强钢筋混凝土异形柱的有限元模型，试验中柱十60L、柱T60L、柱L60H的主要参数如表2-1、表2-2、表2-3所示，试件尺寸及配筋图如图2-1、图2-2、图2-3所示。
3.1有限元模型验证
为了验证上文混凝土本构模型、钢筋本构模型、有限元模型单元和加载制度等选取的正确性，采用与研究模型相似的试验并进行条件模拟，通过模拟结果与试验结果的对比来验证。本文选取文献[48]中的编号为十60L的柱，建立与试验相同的构件尺寸参数、相同边界条件和实际试验相同加载方式的有限元模型，利用ABAQUS有限元分析软件进行模拟。完成计算后与试验的滞回曲线及骨架曲线对比如图3-1、图3-2所示。
通过对滞回曲线和骨架曲线的模拟结果与试验数据的对比发现，试验与模拟的滞回曲线和骨架曲线大致重合，模拟结果得到的正负向屈服荷载和极限荷载与试验数据的误差均在18%之内。其中，屈服荷载正向误差为7.74%，负向误差为17.98%，正负向平均误差为12.86%；极限荷载正向误差4.43%，负向误差16.20%，正负向平均误差10.32%，符合要求。模拟结果正向加载时承载力与试验实际承载力吻合较好，由于数值模拟过程中并没有考虑钢筋的拉压不等强以及包辛格效应，模拟结果与实际试验相比在反向加载时承载力存在误差，但属于合理范畴内。有限元模拟的滞回环形状与试验基本吻合，可以对构件的耗能进行较为准确的模拟，骨架曲线上升段和下降段的斜率与试验骨架曲线上升段下降段斜率基本一致，这表明本文有限元模型具备可以接受的计算精度。综上，可以认为满足误差要求，本文的有限元模型可以较为合理地模拟混凝土的塑性损伤以及试件在低周往复荷载作用下的强度和刚度退化。
第3章 高强钢筋混凝土十形柱抗震性能分析 .......................... 19
3.1 有限元模型验证 ................................ 19
3.2 主要影响因素分析 ........................ 20
第4章 高强钢筋混凝土T形柱抗震性能分析 ......................... 47
4.1 有限元模型验证 .............................. 47
4.2 主要影响因素分析 ......................... 48
第5章 高强钢筋混凝土L形柱抗震性能分析 ...................... 71
5.1 有限元模型验证 ................................ 71
5.2 主要影响因素分析 ......................... 72
第6章高强钢筋混凝土异形柱恢复力模型研究
6.1恢复力模型
6.1.1恢复力模型的概念
普遍意义上的恢复力是指结构因为形变而产生的反力，反力大小与结构刚度、处在弹塑性阶段的哪个位置以及加载方式等多个因素有关，将结构发生的形变和与此对应的反力关联起来就得到了恢复力曲线，该曲线可以用数学表达式表征，并进行适当简化，通常把这种数学表达式称作恢复力模型。恢复力模型是基于大量试验结果，从中获得试件企图恢复原有状态的抗力与变形的关系曲线，是一种抽象化的曲线模型，可以作为结构或构件抗震性能弹塑性分析的基础[90]。滞回曲线和骨架曲线通常能够反映出试件或结构在承载力、刚度、强度、耗能和延性等方面的力学性能，但是由试验得到的滞回曲线和骨架曲线比较复杂，难以直接用到抗震分析中去。恢复力模型是材料或截面准确的本构关系，结构固有的力学属性。一般情况下，通过有限元分析软件获得的恢复力曲线较为复杂，需要进一步转化为数学模型来表达结构的力与位移的关系。
6.1.2恢复力模型的组成与确定方法
恢复力模型由骨架曲线和滞回规则两部分组成。骨架曲线是构件在往复加载作用下，形成的滞回曲线外轮廓线，骨架曲线上的关键点可以表示不同的受力阶段，比如，其关键点参数值能准确反映结构或构件的开裂荷载、屈服荷载和破坏荷载等重要特征，同时也可以反映构件不同阶段的刚度和强度。滞回规则是描述构件在卸载时以及反向加载时的力学规律。滞回规则需要确定构件加卸载时的刚度退化和强度退化，构件在加载时的路径沿着骨架曲线进行，卸载以及再加载时的路径按照滞回规则进行。通过建立恢复力模型，可以研究构件的较多力学特性，比如承载能力、变形能力、耗能、刚度退化等。
结论与展望
结论
本文使用ABAQUS有限元分析软件，对十形、T形和L形三种不同截面形式的高强钢筋混凝土异形柱进行低周往复加载模拟试验，验证了所建立的异形柱有限元模型准确性；对实体单元有限元模型进行了变参数分析，研究了混凝土强度、纵筋强度、纵筋配筋率、箍筋强度、体积配箍率和轴压比对高强钢筋混凝土异形柱破坏形态和模式、滞回性能、耗能性能、延性性能、承载能力、变形能力以及刚度退化等抗震性能的影响规律；基于试验数据，提取了试验骨架曲线，建立了适用于高强钢筋混凝土异形柱的恢复力模型，确定了刚度退化规律，对比试验骨架曲线和模拟骨架曲线，验证了恢复力模型骨架曲线的正确性。得出的结论如下：
（1）在已完成的高强钢筋
