地震力作用下钢筋混凝土框架结构倒塌的数值模拟研究

介绍了在地震力作用下钢筋混凝土框架结构倒塌机理、破坏准则和数值模拟的研究现状 ,分析了目前研究中存在的主要问题和发展趋势     

地震作用下钢筋混凝土框架结构倒塌全过程振动台试验研究

以玉树7.1级地震中某底层遭到严重破坏的钢筋混凝土（RC）框架结构为原型,设计了1个1∶5缩尺的三维模型,通过模型的倒塌全过程振动台试验,研究了汶川、玉树地震中高烈度地区RC框架结构出现的典型侧向逐层呈多米诺骨牌式连续倒塌现象的全过程和倒塌破坏机制。试验中该模型结构的倒塌过程共分为两个阶段,即侧向增量倒塌和竖向连续倒塌。当底层层间位移角达到1/19时,试验模型处于临近倒塌状态。在倒塌过程中,底层角柱C3最先丧失竖向承载力,此时竖向倒塌开始发展,结构在重力荷载及输入地震动的共同作用下,底层柱的水平侧移持续增加,造成其相邻的柱B2、B3、C2相继失效,丧失竖向承载力,模型结构的冗余度不足使结构产生更大范围的竖向倒塌,最终模型结构呈侧向逐层连续倒塌。通过对倒塌后废墟的研究,发现模型结构呈“强梁弱柱”型破坏,其破坏模式与震害调查结果一致。最后,讨论了此种废墟下人员生存空间的问题,给出了防RC框架结构倒塌的相关建议。     

钢框架结构地震倒塌数值模拟方法研究

准确模拟建筑物地震倒塌可为分析建筑废墟存活空间分布规律和构建救援生命通道提供重要的前期基础。以钢框架结构为研究对象,重点讨论钢框架、填充墙、填充墙与钢框架之间连接问题。采用有限单元法（FEM）和有限-离散单元法（F-DEM）相结合的方法模拟了2跨×3跨的3层钢框架填充墙结构,以倒塌模式为评价指标来验证数值模拟方法的准确性。结果表明：数值模型整体结构表现为倾斜式倒塌模式,朝大跨度方向倒塌并伴随扭转,与实际震害中外廊式结构的倒塌模式相一致;向着结构大跨度方向的存活空间逐渐减小;倒塌层废墟内部的存活空间多呈三角形分布。提出的数值模拟方法可为钢框架结构的震后救援和地震抗倒塌设计提供一定的参考。     

框架结构不同倒塌模式的数值模拟与分析

基于离散单元法和杆端多弹簧模型的思想,引入适用于任意加载路径的弹簧恢复力模型,考虑混凝土轴向弹簧与截面剪切弹簧的耦合效应,建立了合理的弹簧破坏准则,并对单元失效后的碰撞问题进行了有效的处理,在此基础上开发了能够模拟强震作用下钢筋混凝土框架结构倒塌全过程的计算机仿真程序CSPF 1.0。以汶川地震灾区一实际建筑为例,利用CSPF 1.0程序模拟了地震作用下该结构响应的全过程,得到了该结构可能产生的强梁弱柱型倒塌模式。另外在增大原结构的柱截面尺寸及配筋的基础上,程序进一步模拟了强柱弱梁型的倒塌模式。通过对仿真结果的论述和分析,说明了程序CSPF1.0的可靠性和离散单元法在钢筋混凝土框架结构倒塌分析中的可行性,并在一定程度上揭示了框架结构的破坏机理和倒塌机制。     

现浇楼板对钢筋混凝土框架结构倒塌模式的影响

地震作用下钢筋混凝土框架结构通常呈现弱柱型破坏模式而倒塌。针对其破坏特征,将钢筋混凝土框架结构离散为“板-柱”和“梁-柱-节点”体系,结合块体间碰撞作用的冲量模型,基于离散单元法建立考虑构件间碰撞作用的钢筋混凝土框架结构空间倒塌反应计算机仿真系统,并通过2个框架结构模型的倒塌试验对其进行了验证。利用计算机仿真系统模拟分析了现浇楼板对钢筋混凝土框架结构倒塌模式的影响。结果表明：考虑块体间碰撞作用的框架结构倒塌仿真系统可以真实再现地震作用下框架结构的倒塌过程和废墟堆积情况;考虑楼板影响时,强柱型框架结构可能会出现弱柱型倒塌,局部倒塌型框架结构则可能不倒或呈弱柱型倒塌;框架结构抗震设计或评定中应充分考虑现浇楼板对框架抗震性能的影响。     

钢筋混凝土平面框架连续性倒塌的仿真分析

采用基于离散单元开发的仿真程序CSPF1.0对一榀模拟底层中柱失效的连续倒塌试验框架进行了计算分析,所得到的中柱荷载-位移曲线与试验曲线吻合较好,说明了仿真程序用于大位移大变形下的钢筋混凝土框架结构分析的可靠性。在此基础上,进一步加大竖向荷载对试验中未获得的连续性倒塌全过程进行了模拟。仿真结果与已有试验现象相符且对最终的倒塌过程给出了合理的预期,从而表明CSPF1.0程序能够较好地用于包括单元不连续及接触碰撞在内的连续性倒塌全过程的模拟。     

钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌能力评估

对某钢筋混凝土框架结构底层柱发生突然破坏后结构整体的破坏过程进行了数值模拟,评估不同局部破坏位置、不同局部破坏程度时结构可能发生的破坏情况,评价既有建筑物抵抗连续倒塌的能力.结果表明:根据现有规范设计的7度抗震钢筋混凝土框架结构,底层单一柱破坏后结构仍具有较好的整体性,结构没有倒塌;损伤局限在破坏柱所在跨内,但各框架柱...     

钢筋混凝土框架结构拟静力倒塌试验研究及数值模拟竞赛Ⅱ:关键构件试验

为研究汶川地震中钢筋混凝土框架结构震害机理,清华大学开展了钢筋混凝土框架结构拟静力倒塌的系列试验研究,包括1个3层4跨RC框架、2个关键梁柱节点和4个关键框架柱。结合试验举行了相应的数值模拟竞赛,并将试验和数值模拟结果全部在互联网上公布,供有关科研和工程人员参考。本文介绍了2个关键梁柱节点和4个关键框架柱的试验设计、试验过程和主要试验结果。     

钢筋混凝土框架结构抗倒塌性能的试验研究

偶然荷载作用下预知结构的失效机理以及为之提供新的荷载路径是结构抗倒塌设计中很重要的方面。本文提出了一种模拟框架结构倒塌破坏的拟静力试验方法并完成了一榀4跨3层的钢筋混凝土平面框架的倒塌试验。试验中,用机械千斤顶替换底层的中柱以模拟其失效,用电液伺服作动器采用力控制的方式作用在顶层中柱模拟上部结构重力荷载。作动器施加的力通过中柱传递给底层千斤顶,随着千斤顶的逐渐卸载,中柱顶部的作用力通过框架梁传递到两边的柱。在中柱位移456mm时框架梁中钢筋被拉断而倒塌。本文基于试验结果与现象对试验模型框架受力过程进行了分析,并对结构受力机制的转换过程进行了探讨,通过计算得出结论,塑性机构破坏荷载大约为悬索机构破坏荷载的70%,且可用其来预估框架考虑悬索作用的极限承载能力。     

地震作用下砌体结构倒塌反应的数值模拟计算分析

本文建立了能反映砌体结构出平面破坏的三维空间刚体离散单元模型,并编制了计算机仿真程序,模拟了地震作用下砌体结构的倒塌反应,模拟结果和振动台试验结果比较,效果良好。     

建筑结构倒塌过程模拟与防倒塌设计

针对结构性能的数值模拟方法进行了综合分析,基于离散单元法提出了结构倒塌分析的理论模型。通过试验研究了混凝土块体间碰撞的力学行为,并结合扩展的数值分析建立了混凝土块体在不同碰撞形式下的计算模型。针对建筑物内的局部爆炸作用,在分析构件反应的基础上采用离散单元法对结构平面及空间倒塌过程进行了数值模拟。建立了适用于任意加载路径的材料弹簧力-位移本构关系,据此分析了地震作用下钢筋混凝土框架结构以及砌体结构空间倒塌过程。采用基于OpenGL的图形建模技术,实现了结构倒塌过程数值模拟结果的三维可视化。模拟结果与振动台模型试验结果及工程实测结果比较表明,所采用的离散单元法适合结构大变形阶段的分析。为提高计算效率和精度,有必要采用多尺度的模拟分析。另外,对不同荷载及作用下建筑结构抗倒塌设计方法进行了总结。并指出结构参数对抗连续倒塌性能的影响、结构倒塌机理、实用的防连续倒塌设计方法以及地震作用下结构防倒塌定量设计方法等方面尚待深入研究,以便建立相应的防倒塌设计规范。图15参21     

自复位钢筋混凝土框架结构振动台试验研究

为研究自复位钢筋混凝土框架结构的整体抗震性能,设计了一个比例为1/2的两层自复位钢筋混凝土框架结构,通过放松结构与基础间的约束和梁柱间的约束,结构在地震作用下发生摇摆,通过预应力使结构复位,实现自复位效果。通过振动台试验,研究了试验中模型结构在各级水准地震作用下的动力特性、加速度反应、位移反应和节点局部反应,描述了模型结构的破坏位置及过程,分析了模型结构的自复位能力。试验研究表明:自复位钢筋混凝土框架结构具有良好的抗震性能和自复位能力;结构在大震作用下有较好的延性和变形能力,震后基本无残余变形。     

钢筋混凝土框架结构拟静力倒塌试验研究及数值模拟竞赛Ⅰ:框架试验

为研究汶川地震中钢筋混凝土框架结构震害机理,清华大学开展了钢筋混凝土框架结构拟静力倒塌的系列试验研究,包括1个3层4跨RC框架、2个关键梁柱节点和4个关键框架柱。结合试验举行了相应的数值模拟分析竞赛,并将试验和数值模拟结果全部在互联网上公布,供有关科研和工程人员参考。本文介绍了3层4跨RC整体框架的试验设计、试验过程和主要试验结果。     

框架结构爆破倒塌的有限元仿真

利用ANSYS/LS-DYNA有限元程序,对一栋多层框架结构的爆破拆除过程进行了动态仿真,仿真计算结果与实际倒塌过程基本一致,说明只要通过适当的选取计算参数和计算模型,可以通过有限元方法对这类复杂的倒塌破坏过程进行模拟分析和动态仿真,能够做到对倒塌过程的定量分析,在优化爆破方案的同时降低了工程风险。     

自复位钢筋混凝土框架结构振动台试验研究

为研究自复位钢筋混凝土框架结构的整体抗震性能,设计了一个比例为1/2的两层自复位钢筋混凝土框架结构,通过放松结构与基础间的约束和梁柱间的约束,结构在地震作用下发生摇摆,通过预应力使结构复位,实现自复位效果。通过振动台试验,研究了试验中模型结构在各级水准地震作用下的动力特性、加速度反应、位移反应和节点局部反应,描述了模型结构的破坏位置及过程,分析了模型结构的自复位能力。试验研究表明：自复位钢筋混凝土框架结构具有良好的抗震性能和自复位能力;结构在大震作用下有较好的延性和变形能力,震后基本无残余变形。     

浅谈钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌的策略

当前,钢筋混凝土框架结构在工程建设的过程中十分常见,该结构在应用的过程中也会受到诸多因素的影响,极易出现倒塌的问题。为有效避免结构出现连续倒塌现象,应采取有效措施加大控制力度,完善结构的性能。     

基于震害的钢筋混凝土框架结构倒塌机理的集成多媒体仿真研究

本文在总结历次实际地震震害特点的基础上,针对钢筋混凝土框架结构的特点,运用面向对象的建模理论建立了一套能模拟房屋倒塌过程的计算机模型,结合钢筋混凝土框架三维非线性动力有限元方法,给出了一种计算机能自动判断局部或整体可动机构的快速算法,并引入可视化技术及多媒体系统集成原理,开发了框架倒塌仿真的集成多媒体仿真系统,对钢筋混凝土框架结构房屋的倒塌机理作了研究,仿真实例表明该系统能较好地再现框架的倒塌过程。     

爆炸荷载下钢筋混凝土框架结构连续倒塌分析方法比较

运用显式动力有限元分析软件LS-DYNA建立了一个四层两跨钢筋混凝土框架结构的有限元模型,并对其施加爆炸荷载,在爆炸荷载仅引起结构关键柱失效的情况下,研究了不同比例距离爆炸荷载作用下钢筋混凝土结构的动力响应及倒塌过程;同时采用美国国防部2009年出台的建筑物抗连续倒塌设计规范UFC 4-023-03中推荐使用的替代传力路径法对相同的四层钢筋混凝土框架结构进行了非线性动力连续倒塌分析。通过比较研究上述数值分析结果,揭示了UFC 4-023-03规范推荐使用的替代传力路径分析方法的不足,进而对考虑爆炸荷载作用的结构抗连续倒塌分析设计方法的改进提出了设想。研究结果表明:通过引入爆炸荷载放大系数来考虑爆炸荷载作用的影响具有更广的适用范围。     

钢筋混凝土框架结构柱连续倒塌的破坏效应分析

近年来,由自然灾害(强震、强风等)、人为失误(装修失火、管道爆炸等)、以及恐怖袭击(撞击、爆炸等)和人为破坏等偶然事件造成的房屋建筑倒塌破坏层出不穷,而结构倒塌一旦发生,往往会造成大范围的破坏和严重的生命财产损失。此外,随着社会经济不断发展,工程项目也日趋复杂、多样,对结构设计提出了更高的要求;自汶川地震后,我国的新规范也对重要建筑的抗连续倒塌设计有了明确要求。考虑到实际工程项目的复杂性,以及致使钢筋混凝土框架结构倒塌的偶然作用的不确定性,结构的抗倒塌设计往往难以考虑所有偶然作用。     

钢筋混凝土框架结构抗地震倒塌破坏的研究现状与对策分析

总结了罕遇地震作用下结构倒塌破坏的研究现状,重点分析了建筑物倒塌破坏的系统性和不确定性,对比了不同的倒塌破坏准则和倒塌破坏分析方法,给出了建筑物倒塌的临界状态定义。研究结果表明:现有的倒塌破坏准则无法准确定义结构的倒塌破坏;时程分析法更为精确,且较少地引入了地震动随机性影响,更适于结构倒塌研究;建议的倒塌破坏区间能够更好地反映倒塌破坏特性;塑性变形集中是框架倒塌的主要原因,应重视柱端塑性铰发育导致的结构整体性能退化;相关研究成果可为定量研究建筑结构的倒塌破坏提供理论基础。