高层钢框架考虑损伤累积效应的地震倒塌分析方法

针对结构倒塌破坏的不确定性,提出一种用于高层钢框架结构在强震作用下结构倒塌全过程模拟的数值方法,该方法采用基于中心差分法的显式积分格式,通过定义结构的层损伤,将修正的K&K模型应用到结构中,以考虑结构在地震作用下强度和刚度的退化规律。通过编制有限元程序将该方法用于分析20层benchmark模型结构倒塌全过程和倒塌机理。分析表明,该考虑材料损伤累积效应的方法能更精确地确定高层钢框架结构的失效极限荷载,且在未知结构的失效破坏模式前提下,可较好地模拟在地震作用下结构的失效路径以及倒塌全过程和揭示结构的倒塌机理。     

地震作用下损伤RC框架抗竖向倒塌分析

为了研究存在损伤支撑构件的钢筋混凝土框架结构在地震作用下的竖向连续倒塌性能,从美国太平洋地震工程研究中心(PEER)数据库中选取了3条远场地震波、4条近场地震波以及1条人工地震波作为地震输入,利用等效轴力变化模拟损伤柱失效过程,基于OpenSees有限元分析平台,采用时程分析法对中柱在地震作用下逐渐失效的平面框架结构的抗竖向倒塌性能进行了分析。结果表明:在8度罕遇地震(加速度峰值为0.4g,g为重力加速度)作用下,损伤柱快速失效,在相同的失效时间下,竖向加速度峰值与地震波总能量竖向分量能显著增加结构竖向响应,从而加大结构的竖向倒塌风险; 相对于不考虑地震作用时,考虑地震作用的中柱竖向位移峰值和中柱相邻梁端受拉钢筋应变峰值都明显增大; 随着中柱失效时间的增大,动力效应的影响逐渐减弱,地震作用对剩余结构的影响逐渐减小。     

考虑损伤累积效应的拱形立体桁架结构倒塌分析

以实际工程为背景,通过ABAQUS损伤材料子程序对拱形立体桁架结构进行连续倒塌分析,考虑了杆件失稳的影响,研究了该类结构在强震作用下的倒塌破坏机理和破坏模式。结果表明,强震作用下,拱形立体桁架结构杆件损伤不断累积,刚度逐渐退化,最终失效退出工作。损伤累积效应使杆件应力减小,应变增大,同时节点位移幅值增大。在地震波作用下,中间主桁架柱腹杆最先失效退出工作,随后失效区域沿主桁架平面外方向扩展并由柱脚发展至结构顶部。地震作用结束后,主桁架1/4跨度处腹杆以及部分长细比较大的柱腹杆发生失稳破坏。考虑杆件失稳的影响,将导致部分杆件提前失效,但对整个结构的破坏模式影响不大。     

爆炸荷载作用下钢结构的动力响应与破坏模式

采用对空气扩散有限制的典型爆炸超压模型,考虑应变速率和损伤累积效应对钢材的影响,应用ABAQUS有限元分析软件,对钢柱和平面钢框架在爆炸荷载作用下的动力响应和破坏模式进行了数值模拟和分析。结果表明:采用Johnson-Cook本构模型以及考虑损伤累积效应的失效准则,可以有效地模拟钢结构在爆炸荷载作用下的动力反应;降低柱顶集中荷载或者减小柱长度,可以有效地提高钢柱在爆炸荷载作用下的承载能力;在爆炸荷载作用下,钢柱产生不可恢复的塑性变形而丧失承载能力,是平面钢框架发生整体倒塌的主要原因。     

超大跨斜拉桥顺桥向地震损伤分析与控制

以一座试设计的主跨1 400 m的斜拉桥为例,采用弹塑性方法并引入地震损伤指标分析了不同强度地震作用下飘浮体系和弹性约束体系的地震损伤与破坏模式;研究了极端地震作用下损伤控制策略对斜拉桥损伤控制效果的影响。结果表明:极端地震作用下,主塔和桥墩分别遭受局部失效和严重损伤,发生了典型的弯曲单塑性破坏;基于Park损伤指数的附加耗能阻尼器的损伤控制策略可显著控制主塔、桥墩地震损伤和主梁位移,满足损伤控制目标要求,改善了桥梁的整体抗震性能。     

综合体结构地震失效与影响因素分析

综合体结构集地上多塔、裙房、大空间地下结构于一体,结构规模大、连接部位多,地震作用下结构耦联效应和土-结构相互作用突出。为明确此类结构地震损伤及失效机理,以典型双塔综合体为例,分别选取近场脉冲型和远场型地震动为输入,进行增量动力分析与易损性分析,研究了结构薄弱部位、失效机制和损伤演化规律,并对比分析结构影响因素和地震动特性对结构失效影响。结果表明：裙房及大空间地下结构产生的嵌固作用对结构损伤、失效影响显著;受侧向刚度突变影响,地上与地下交界处、裙房与塔楼交界处是结构薄弱部位;塔楼耦联特性对减少整体结构地震响应有利,考虑土体影响后,塔楼耦联效应增强,结构位移和加速度响应的最大减小幅度超过30%;地上地下耦联特性对地上结构地震响应的影响随地震强度增加呈现先减小后增大的变化,综合体地上结构受地下结构影响,加速度响应增幅最高达90%以上;结构动力响应受地震动特性影响,同强度近场脉冲地震作用下的结构变形和损伤情况大于远场地震作用的,近场脉冲地震动易使结构发生裙房底部失效破坏,远场地震动易使结构发生塔楼底部失效破坏。     

复杂结构在重复地震序列作用下的损伤性能研究

为了研究复杂结构在多序列地震作用下的累积损伤效应,针对一实际建筑——法门寺合十舍利塔进行了重复地震作用下的弹塑性时程分析,分别采用基于位移和基于Park-Ang损伤模型的指标分析结构在多重地震序列下的损伤累积效应。研究结果表明:基于位移的单参数损伤指标无法较真实地反映结构在重复地震下的累积损伤效应,而基于位移和能量组合的Park-Ang损伤模型指标能较为合理地反映结构的这种累积效应;前次地震作用产生的残余变形对结构在后续地震中的响应有很大的影响,因此计算有损结构的损伤指数时,应考虑结构的初始残余变形对损伤指数的影响。     

考虑低周疲劳寿命的改进Park-Ang地震损伤模型

随着基于性态抗震设计理论的发展 ,Park Ang双参数地震损伤模型在建立性态目标量化准则方面受到重视。本文的研究目的是结合钢筋混凝土构件低周疲劳试验结果 ,对该模型作进一步发展和完善。基于低周反复荷载作用下钢筋混凝土构件疲劳寿命方程 ,结合国内外发表的试验结果分析了构件极限滞回耗能与位移延性系数的关系 ,近似为指数衰减关系。通过引入另外的与加载路径有关的能量项加权因子 βi,由定义的临界延性系数 μ0 和能量等效系数YE 计算 ,提出了Park Ang双参数地震损伤模型新的改进形式。改进的地震损伤模型规格化最大位移与规格化滞回耗能是非线性组合 ,可以近似考虑加载路径对损伤影响。试验和数值分析表明改进损伤模型可以有效地降低组合参数 β不确定性对损伤指数计算结果的影响 ,而新引入参数的不确定性对其计算结果几乎没有影响。分析了滞回耗能在构件地震累积损伤中所占的比重及其与加载路径的关系。建议了改进Park Ang双参数地震损伤模型可修复破坏和倒塌破坏损伤指数临界值可分别取为 0 4和 0 8。     

微裂纹损伤对纤维复合材料层合板强度的影响

基于连续损伤理论及Hoffman强度准则,采用多标量连续损伤模型和有限元法,对复合材料层合板在横向均布载荷下的损伤破坏过程进行了研究,分析中考虑了几何非线性的影响及单层板失效前由微裂纹损伤所引起的刚度下降。研究表明:微裂纹损伤对破坏区域的演化过程有较大影响;用损伤Hoffman准则得到的层板破坏荷载高于无损Hoffman准则的破坏荷载,提高程度受铺层方式的影响。     

非贯通裂隙岩体力学特性的损伤力学分析

本文基于岩石应力-应变全过程曲线及其对应的声发射试验结果,以及岩石在加载条件下损伤的产生与演化的微观试验和三种不同应力条件下非贯通裂隙岩体模型的强度、变形破坏试验的结果,分析了非贯通裂隙岩体损伤的宏观力学响应和岩体损伤机制;探讨了岩体损伤的局部性及其力学效应。由大量模型试验。通过引入“局部损伤修正系数”,建立了非贯通裂隙岩体考虑损伤的强度预测公式,并用此公式预测了一些模型的三轴强度,结果与实测强度吻合较好。     

组合截面柱考虑损伤的弹塑性循环性能分析

提出了结构钢弹塑性各向异性损伤本构模型 ,并采用 U.L .格式的壳体大挠度双重非线性有限元方法 ,对箱型组合截面柱进行单轴循环荷载作用下的非线性分析 .通过与试验结果对比 ,论证了方法的正确性 ,为深入进行钢结构地震反应分析奠定了基础 .     

基于布谷鸟搜索算法的温度驱动损伤识别方法

基于振动的损伤识别方法数据分析过程复杂,且易受环境不确定因素影响,为解决该问题,提出了一种基于布谷鸟搜索算法的温度驱动损伤识别方法。分析中将温度视为结构的可测激励,对基于温度诱导应变的结构损伤参数识别公式进行了推导,进而利用实测的温度诱导响应值与有限元模型计算的温度诱导响应值构造目标函数,基于改进的布谷鸟搜索算法对有限元模型中的损伤参数进行更新,从而实现损伤的准确判别。通过一根两端弹性约束的H型钢梁,以及一榀Benchmark钢框架模型的数值仿真分析,验证了所提方法的损伤识别效果。分析结果表明：基于布谷鸟搜索算法的温度驱动损伤识别方法可对不同程度、不同位置及不同数量的损伤进行有效识别,即使在较高的噪声干扰下,仍能取得较好的识别结果。相比于基于振动的有限元模型损伤参数识别方法,该方法无需施加外部激励,输入与输出数据（温度与温度响应）方便可测,损伤识别所需的数据量较少,受噪声干扰影响小,可对结构的损伤进行有效定位与量化。     

钢-混凝土混合结构振动台试验的弹塑性损伤分析

通过LS-DYNA程序,二次开发了钢材和混凝土单轴弹塑性损伤本构模型,其中钢材损伤模型采用混合强化准则,可考虑材料的Bauschinger效应;混凝土损伤模型定义了拉、压两个损伤指数,能较为准确地模拟混凝土单边效应、箍筋约束效应等。结合程序中基于显示算法的纤维单元,建立了结构整体数值分析模型,并通过一个缩尺比例为1∶4的3层钢-混凝土混合结构模型振动台试验,验证了数值分析模型的分析精度,数值模拟得到了模型结构的损伤发展过程。此外提出一种通过实测应变反演应变测试部位材料的应力和损伤发展的方法,研究表明,应变反演能充分利用应变测试数据,获得材料应力和损伤发展过程,并对结构的性能退化进行评估。     

钢框架结构在地震作用下累积损伤分析及试验研究

钢框架结构在强地震作用下将进入非线性状态,结构的刚度和强度等力学性能随之降低,从而影响到结构以后的抗震性能。因此,如何确定结构在一次或多次地震作用后的力学性能,是结构在多次地震作用下动力分析的重要内容,为了达到这个目的,首先需要确定结构在每次地震作用后各层的累积损伤指数,再通过损伤指数来定量确定结构的剩余刚度和剩余强度。本文通过钢框架结构的多次振动台模拟试验,应用损伤力学理论,建立钢框架结构在地震作用下考虑损伤累积效应的双线性恢复力模型,结构在地震作用下的动力分析采用层间模型,并运用Wilson-θ法进行计算分析,通过试验和计算的对比,在多次地震作用后,由于框架结构的层间模型产生了强度和刚度的退化,考虑损伤累积效应后的计算结果更符合试验结果,最终为地震作用后的结构的修复和抗震能力的评估提供分析基础。     

Dynamic stress analysis for fatigue damage prognosis of long-span bridges

For fatigue damage prognosis of a long-span steel bridge, the dynamic stress analysis of critical structural components of the bridge under the future dynamic vehicle loading is essential. This paper thus presents a framework of dynamic stress analysis for fatigue damage prognosis of long-span steel bridges under the future dynamic vehicle loading. The multi-scale finite element (FE) model of the bridge is first developed using shell/plate elements to simulate the critical structural components (local models) and using beam/truss elements to simulate the rest part of the bridge (global model). With the appropriate coupling of the global and local models, the multi-scale FE model can accurately capture simultaneously not only the global behavior in terms of displacement and acceleration but also the local behavior in terms of stress and strain. A vehicle traffic load model is then developed for forecasting the future vehicle loading based on the recorded weigh-in-motion (WIM) data and using the agent-based traffic flow microsimulation. The forecasted future vehicle loading is finally applied on the multi-scale model of a real long-span cable-stayed bridge for dynamic stress analysis and fatigue damage prognosis. The obtained results show that the proposed framework is effective and accurate for dynamic stress analysis and fatigue damage prognosis.     

不同加载方式下实腹式型钢混凝土T形截面柱损伤试验研究

为研究不同加载方式下实腹式型钢混凝土T形截面柱沿腹板方向的损伤演化规律,设计并制作了10根缩尺比为1/2、剪跨比为2.5的型钢混凝土T形截面柱,变化参数为轴压比、配钢率及加载制度。基于试验成果,对单调荷载及低周反复荷载作用下T形截面柱的荷载 位移曲线及能量耗散能力进行了分析。结果表明：从初始加载到失效,型钢混凝土T形截面柱的损伤过程可分为5个阶段,分别为无损阶段、轻微损伤阶段、损伤稳步发展阶段、严重损伤阶段和破坏阶段;与单调加载相比,随着位移幅值的增大与荷载循环次数的增加,T形截面柱的承载力、极限变形能力和极限耗能能力均有不同程度的降低。在试验研究的基础上,考虑荷载循环次数、位移幅值与极限承载能力的动态关系以及加载路径对T形截面柱损伤的影响,建立了由最大变形与滞回耗能双参数组合的非线性损伤模型,并验证了该模型的合理性。     

Multi-scale fatigue damage prognosis for long-span steel bridges under vehicle loading

Fatigue damage prognosis for long-span steel bridges is of the utmost importance in bridge maintenance and management. In this study, a multi-scale fatigue damage prognosis algorithm is developed to calculate the trans-scale fatigue damage accumulation of newly-built long-span steel bridges under vehicle loading. The necessity and procedure of establishing a multi-scale finite element (FE) model of a newly-built long-span bridge for fatigue damage prognosis are first introduced. The future vehicle loading on the bridge is forecasted using the recorded weigh-in-motion (WIM) data and the agent-based traffic flow micro-simulation method. Then, the multi-scale fatigue damage prognosis algorithm is developed based on the multi-scale FE model and using the future vehicle loading. Finally, the proposed algorithm is applied to a newly-built long-span cable-stayed bridge for the time period from 2010 to 2020. The results show that the macro-scale fatigue damage accumulation and micro-scale short crack evolution of the critical components of the bridge can be simultaneously predicted and visualized. The proposed algorithm can be used as a numerical tool for fatigue damage prognosis of steel bridges where (or near where) WIM station is installed.     

考虑累积损伤退化的钢材等效本构模型研究

在结构抗震分析中,钢材在循环荷载作用下的一维本构关系是利用杆系模型进行结构弹塑性地震响应分析的基础。为了更准确地模拟结构在强震作用下的反应,提出能够考虑累积损伤、刚度和强度退化的钢材等效本构模型,包括骨架曲线、滞回准则以及退化特征,利用损伤控制因子数学模型对钢构件、节点及结构的损伤退化全程进行描述。根据提出的等效本构模型并利用有限元软件ABAQUS提供的用户材料子程序UMAT,采用Fortran语言开发能够进行钢框架强震作用分析的损伤退化过程计算程序。采用等效本构模型对典型试验进行模拟分析,其结果与试验结果吻合良好,充分证明钢材等效本构模型用于钢构件在强震作用下弹塑性分析的准确性及可行性。     

Seismic analysis of steel structures considering damage cumulation

The research on the development of a reliable analytical model for seismic analysis of steel structures is presented. The non-linear damage cumulation hysteretic model incorporating the deterioration of stiffness, strength and strain hardening for structural steel is proposed and validated. The complete loading history, energy dissipation and the effect of the maximum plastic strain are taken into account in the model. The constants in the model are determined from regression analysis of experimental results of simple standard tensile and cyclic tests. Finite element formulations for beam and structural solid element considering the damage cumulation are derived. A computer program capable of calculating the hysteretic model of steel members, predicting the damage state and crack initiation, and carrying out non-linear time history seismic analysis of steel structures is developed. Solutions obtained from the model are in good agreement with experimental results. It was demonstrated that the damage cumulation effect is considerable and important in structural seismic analysis.