火灾下柱失效对多层钢框架连续倒塌的影响

针对钢结构抗连续性倒塌分析中多数采用直接拆柱法,不能真实反映由于火灾引起钢结构发生连续性倒塌时的实际情况,用ANSYS有限元软件建立无楼板的多层钢框架模型,选取已有文献中角部区域不同失效柱个数的工况。采用热固耦合法,考虑火灾使柱失效和材料非线性、几何非线性进行分析。研究了火灾下钢框架结构抗连续倒塌性能及角部区域允许失效柱个数,并将分析结果与已有文献采用直接拆除法结果进行对比。结果表明:采用ANSYS中热 结构耦合功能,结合生死单元法能够较好模拟钢框架由于火灾导致结构发生连续性倒塌的过程;通过分析3种角部区域不同失效柱个数的工况结果,得出失效柱允许个数为3根;与现有文献采用直接拆除法的有限元分析结果进行对比,发现采用直接拆除法分析结果过于保守,考虑火灾导致柱失效更加贴近实际倒塌情况。     

支撑对装配式钢框架抗连续倒塌性能影响

为研究不同支撑形式对装配式钢框架结构抗连续倒塌性能的影响,建立4种不同支撑形式的模型,利用SAP 2000有限元软件,以6层装配式钢框架结构为原型,并采用构件拆除法,在分别拆除长边中柱、短边中柱、角柱、内柱的4种工况下对模型进行动力非线性分析。分析结果表明:支撑所在跨的框架柱失效后,支撑对结构抗连续倒塌作用明显,隔跨柱失效后,支撑对剩余结构抗连续倒塌性能的影响很小。     

铁路站台单柱雨棚结构抗连续倒塌性能分析

采用非线性动力拆除构件法,对铁路站台有柱雨棚"Y"形钢筋混凝土典型单元进行了抗连续倒塌性能分析,研究了结构的连续倒塌抗力机制和失效模式;并对不同柱距、不同抗震设防烈度及不同楼板的雨棚结构进行了分析和对比。局部构件失效后,剩余结构抗倒塌机制主要为梁机制和悬链线机制;在边柱失效后,剩余结构承载机制仅有梁机制,结构抗连续倒塌性能较弱;在中柱和内柱失效的情况下,剩余结构具备梁机制和悬链线机制提供的抗倒塌承载力,结构抗连续倒塌性能较强;柱距增加,雨棚结构抗连续倒塌性能减弱;抗震设计对于结构梁机制相对承载力的提升较大,对悬链机制相对承载力的提升取决于梁内通长钢筋的增幅;整体现浇楼板对雨棚结构抗连续倒塌性能的增强效果显著,梁机制和悬链线机制的相对承载力均有较大提高。     

节点刚度对外伸端板连接钢框架结构抗连续倒塌性能的影响研究

为研究节点刚度对外伸端板连接钢框架结构抗连续倒塌性能的影响,本文利用ANSYS14.0建立两个6层平面钢框架的有限元模型,梁柱节点分别为刚性节点和半刚性节点,半刚性节点利用非线性弹簧单元Combin 39单元进行模拟。考虑材料非线性及几何非线性,采用备用荷载路径法对其进行非线性静力分析(采用Pushdown analysis)及非线性动力分析。结果表明:柱破坏时,与刚性节点平面钢框架相比,半刚性节点平面钢框架的塑性铰出现较晚,失效点竖向位移增大,结构的竖向承载能力降低,更易发生倒塌破坏,因此,进行外伸端板连接钢框架结构的抗连续倒塌分析时应考虑节点刚度的影响,否则会高估其抗倒塌能力,带来偏不安全的结果。     

北京新机场航站楼屋顶钢结构抗连续倒塌分析

北京新机场航站楼屋顶及其支承屋顶的结构均为钢结构,屋顶钢结构分为6个区域,包括中央大厅主楼及5条指廊。中央大厅主楼设置6组C形柱,形成直径180m的中央大厅空间,在跨度较大的北中央大厅加设2组C形柱减小结构跨度,C形柱采用格构柱的结构形式;指廊区由钢柱和外幕墙柱形成稳定结构体系。采用有限元分析方法,研究了航站楼C形柱的抗连续倒塌性能、航站楼整体结构的抗连续倒塌性能、C形柱失效影响范围以及指廊结构的抗连续倒塌性能。结果表明,C形柱抗连续倒塌性能良好,局部柱失效后其他柱柱底反力变化值可以为下部混凝土支承结构提供极限承载力设计依据;整体结构抗连续倒塌性能及失效影响范围分析可以为C形柱的性能目标提供制定依据;在1根主支承柱失效时,指廊钢结构不会发生连续倒塌。     

考虑楼梯的框架结构连续倒塌分析

利用有限元软件SAP2000的动力非线性计算方法对考虑楼梯与不考虑楼梯两种情况下的框架进行连续倒塌计算,对比分析了楼梯位置处两处框架柱失效时框架的抗连续倒塌能力。分析结果表明:当楼梯部位的柱失效时,考虑楼梯与不考虑楼梯对框架的连续倒塌计算影响很大。考虑楼梯后,模型失效点处的位移和框架梁的内力减小,部分柱内力增大;楼梯构件受力改变,可能会因此失效,但有利于实现荷载的多路径传递,从而对框架的抗连续倒塌有利。     

钢框架结构动力连续倒塌分析

采用可考虑塑性分布的梁柱单元模拟材料非线性,并建立了考虑初始变形的动力连续倒塌分析模型。通过对钢框架结构进行详细的连续倒塌分析,研究了底层柱失效时间对结构响应的影响和竖向荷载传力路径以及梁的受力机理,并对框架破坏后的连续倒塌状况进行了评估。结果表明,失效时间小于自振周期时,失效时间的长短对框架的动力响应有显著影响;局部破坏导致上部结构形成新的竖向传力路径,上部不平衡的竖向荷载由失效柱相邻的柱承担;结构在局部承重柱失效后上部梁中弯矩内力发生重分布现象,失效柱上方的梁端弯矩作用方向发生改变,且弯矩值明显增大。文中按我国规范设计的框架结构在单根柱失效的情况下不会发生连续倒塌。     

钢管混凝土组合框架抗连续倒塌特征响应及参数分析

采用非线性纤维梁模型建立了关键构件失效后钢管混凝土组合框架抗连续倒塌有限元模型。基于ABAQUS软件提供的二次开发平台UMAT,开发了考虑包辛格效应的钢材和约束效应的核心混凝土材料单轴本构模型,并利用已有文献中的试验结果对上述本构模型进行了验证。在此基础上,进行了不同参数(失效柱位置、跨度、层数、层高及失效时间)下抗连续倒塌特征响应分析,研究不同参数下该类结构的位移变化和倒塌规律。研究结果表明,失效柱位置、跨度以及失效时长对竖向位移时程曲线影响较大;中柱(底层、中间层和顶层)失效后,竖向位移时程曲线为比较规则的振荡衰减曲线,在阻尼作用下按照两条渐近线的趋势逐渐趋于平缓,而角柱失效后计算所得竖向位移时程曲线相对中柱不规则。为了更好地提高钢管混凝土结构的抗倒塌能力,给出了概念性的倒塌设防建议,供工程实际参考。     

大跨度空间张弦桁架结构抗连续倒塌性能研究

大跨度空间张弦桁架结构在局部初始破坏下的传力模式和倒塌机理应深入研究。基于验证后的有限元模型,分别对拉索、柱、支座下弦杆失效下张弦桁架结构的抗连续倒塌性能进行研究,在此基础上给出提升此类结构抗连续倒塌性能的具体措施。研究结果表明:单榀张弦桁架传力路径单一,拉索和支座处下弦杆的失效会导致结构发生连续倒塌。由于纵向联系桁架的支撑作用,相邻榀张弦桁架参与工作,空间张弦桁架结构的最大应力及位移较单榀时大大减小,空间效应显著,在拉索、柱、支座下弦杆失效时均未发生完全倒塌。基于大跨度空间张弦桁架结构的抗倒塌模式,加强张弦桁架和纵向联系桁架交叉区域的弦杆及支座处腹杆、将单索换为双索能够有效提升大跨度空间张弦桁架结构的抗连续倒塌性能。     

L形平面钢筋混凝土框架连续倒塌分析

为研究楼板对L形平面钢筋混凝土框架的影响,以某小学教学楼为背景,基于拆除构件法建立四种工况下的有限元模型,采用非线性动力分析方法,探讨四种工况下不加楼板与加楼板模型抗连续倒塌性能。结果表明:对于不加楼板模型,除底层内柱外,其余三种工况均会引起结构的连续倒塌且底层外角柱失效时更加显著;对于加楼板模型,只有底层外角柱失效才会造成结构的连续倒塌,需要重点加强。最后,通过分析子结构在梁机制和悬链线机制作用下的变形模式,提出以比较不平衡荷载做功与子结构耗能来评价结构是否发生倒塌的方法。     

采用三维有限元分析方法对高层建筑进行连续性坍塌分析

运用ABAQUS对一个20层高的建筑构建了三维有限元模型,对其进行连续性坍塌分析。壳单元和梁单元用于模拟整体结构的非线性材料特性和非线性几何性能。详细描述了建模过程及方法。将数值结果与试验结果进行对比,具有很好的一致性。运用这个模型,得出了在各种结构中柱坍塌后的结构性能,而且对各个阶段移除柱后的结构性能进行了详述。模型精确反映了这个20层高的建筑在瞬间失去柱支撑时的整体性能,为结构连续性坍塌设计提供了重要参考。     

Progressive collapse analysis of high-rise building with 3-D finite element modeling method

Using the general purpose finite element package ABAQUS, a 3-D finite element model representing 20 storey buildings were first built in this paper to perform the progressive collapse analysis. Shell elements and beam elements were used to simulate the whole building incorporating non-linear material characteristics and non-linear geometric behavior. The modeling techniques were described in detail. Numerical results are compared with the experimental data and good agreement is obtained. Using this model, the structural behavior of the building under the sudden loss of columns for different structural systems and different scenarios of column removal were assessed in detail. The models accurately displayed the overall behavior of the 20 storey buildings under the sudden loss of columns, which provided important information for the additional design guidance on progressive collapse.     

钢—压型钢板混凝土组合梁非线性分析

用ANSYS程序对4个简支钢-压型钢板混凝土组合梁试件的受力性能进行非线性分析,在组合梁的有限元模型中,采用弹簧单元考虑了混凝土翼缘板同钢梁间的滑移;梁单元来模拟混凝土所受到的栓钉对其的局部压力;非线性材料本构模型考虑了钢材和混凝土的材料非线性特性。通过与试验结果的对比分析发现该模型可以准确地模拟出钢-压型钢板混凝土组合梁的荷载-挠度曲线、交接面荷载-滑移曲线以及压型钢板组合板的开裂过程,因此,可以利用有限元方法研究组合梁的工作性能。     

Effects of partial shear connection on the behavior of semi-continuous composite beams

In this paper, the effects of partial shear connection on the behavior of semi-continuous composite beams were studied numerically using two-dimensional finite element model with plane stress elements. The finite element model takes into account the nonlinearity of the different materials involved. For the shear connectors, a non-linear (shear-slip) relation, drawn from the push-out tests, was used. The accuracy of the proposed finite element model was verified against test results available in the literature. A simplified method to predict load capacity and deflection of the semi-continuous composite beams was also proposed. Based on the results obtained from the finite element analysis, the concept of partial shear connection in the hogging moment regions can be accepted provided that the shear connectors are sufficiently ductile.     

Advanced finite element modeling of bolted T-stub connection components

The results of a finite element investigation of the behavior of T-stub flanges are presented and compared to experimental data. Two types of models were employed; a three dimensional T-stub model consisting of brick and wedge elements and several two dimensional T-stub flange models consisting of rectangular and triangular elements. All models incorporated non-linear material characteristics, non-linear geometric behavior, and several contact interactions. The two-dimensional models were used to conduct a parametric study that augmented the experimental program and led to simpler behavior models.     

基于六节点三角形单元和线性规划模型的上限有限元研究

目前三节点三角形单元常用于极限分析上限有限元,该低阶单元在模拟岩土体失稳破坏时形成的剪切带和塑性区时精度较低。为此,在已有研究成果的基础上,将二阶的六节点三角形单元引入上限有限元,且在单元公共边设置速度间断线并建立线性规划模型,进一步将该单元的应用扩展到服从莫尔–库仑屈服准则的土体。通过对上限有限元进行理论推导并编制程序,利用典型算例研究屈服准则线性化和速度间断线辅助变量线性化对计算结果的影响,并与三节点三角形单元所得结果进行对比分析。研究表明,同等单元数目条件下六节点三角形单元应用于上限有限元能提高计算精度,不过对于某些破坏区域约束不太强烈模型而言,当速度间断线作用显著发挥时,采用三节点三角形单元也可获得良好的解答。     

具有双对称截面的双轴加载薄壁楔形梁柱的性能分析

纵向加劲肋可以有效提高方形或矩形薄壁钢管混凝土柱的整体性能。主要讨论轴压下加劲方形短柱的非线性分析与设计。运用有限元程序ABAQUS进行非线性分析。关于荷载-位移曲线和极限强度的试验与分析结果具有良好的一致性。运用这个模型同时也对柱的性能进行了研究,讨论板的宽厚比限值和加劲肋刚度需求,以及运用现有规范预测加劲复合柱承载能力的可行性。     

桩-土-筏片体系的数值与半数值三维非线性分析模型

本文首次建立了一个分析桩-土-筏片体系共同作用的三维非线性有限元、棱柱元综合计算模型.主要特点是:1.引入“广义位移”概念以减少基本未知量的数目;2.由实验e-p曲线直接反映土壤的非线性性质;3.对分层分片的复杂地质条件,任意布柱形式均方便适用;4.建立无界元以考虑远场土的影响;5.用中厚板、深梁理论建立筏片刚度矩阵;6.利用分块迭代法对Winkler地基板的解进行逐步修正,以逼近桩-土地基板的真解;7.可在指定位移条件下求解,以研究与邻近建筑沉降差的影响.     

New moment-rotation equation for welded steel beam-to-column connections

A three-parameter tangent inverse equation is generically proposed for the non-linear moment-rotation (M-θ) relationship of semi-rigid steel beam-to-column connections. The parameters are the initial stiffness, the plastic stiffness, and a reference moment. Two commonly used welded moment connections are picked up for moment-rotation calculation and comparison between the results of the proposed model and those of a detailed nonlinear finite elements modeling. Semi-analytical equations are proposed for calculating the parameters containing basic factors affecting behavior of the connections. The coefficients of the equations are computed based on a data bank developed in this study using the finite element method. A large number of finite elements models covering the whole range of common dimensions of the above connections are analyzed. Accuracy of the finite element model is verified on the basis of the available test results from previous studies. Tensile tests for determination of material properties of weld to be used in the modeling are conducted. Comparison between the results of the semi-analytical equations and the finite element models shows that the proposed model is able to estimate the moment-rotation curves of the welded beam-to-column connections with very good accuracy.     

方钢管混凝土柱-钢梁外加强环节点承载力与变形的有限元分析

研究方钢管混凝土柱-钢梁外加强环式节点在单调荷载作用下的破坏机理和受力性能。通过有限元软件ANSYS对梁柱节点进行非线性有限元分析,构件最后破坏时,节点区的钢管壁产生了严重的扭曲变形,模型的实体单元遭到严重破坏。方钢管混凝土柱-钢梁外加强环式节点具有优良的刚度及耗能能力,加强环的设置有效地降低了节点区的应力集中。采用ANSYS有限元程序进行钢管混凝土节点非线性有限元分析是可行的。