基础隔震结构连续性倒塌的非线性动力分析

基于备用荷载路径法,以基础隔震结构体系为研究对象,采用非线性动力分析方法分别对底层框架柱和隔震支座意外失效时剩余结构连续倒塌情况进行分析。同时,根据性能化设计评估方法 FEMA356中塑性铰力与位移关系曲线提出了反映受损结构抗倒塌性能的评价指标。研究表明,利用结构性能化指标可以较为准确地评判剩余结构的连续倒塌形态;且隔震支座失效对剩余结构造成的影响弱于底层框架柱失效所造成影响,但两种失效情况所引起剩余结构的响应趋势是一致的。     

隔震结构倒塌动力影响因素及鲁棒性分析

为分析隔震结构竖向连续倒塌非线性动力响应影响因素,基于备用荷载路径法原理,采用考虑构件失效时长的竖向非线性动力分析方法,对隔震结构进行了倒塌动力响应分析。此外,依据冗余度指标,提出定量评估隔震结构竖向连续倒塌鲁棒性方法,利用该方法分析了不同跨度、不同层高的损伤隔震结构三种鲁棒性指标,判断结构在遭遇原设计荷载时是否会发生竖向连续倒塌。研究结果表明:随失效时间增长,结构的倒塌动力效应减弱;隔震结构鲁棒性随层高的增大而降低,随结构跨度的增大而降低;不等跨隔震结构当其长跨边柱隔震支座失效时,更易发生竖向连续倒塌。     

钢框架结构连续倒塌分析中荷载动力系数的研究

通过对单自由度体系在支座失效后质点动位移的理论分析,得到两跨连续梁在中间支座失效后的动力放大系数。运用ANSYS有限元分析软件,对具有相同结构平面布置的3层、6层和10层的多层框架,分别以边跨中柱和中间跨中柱失效作为初始破坏,进行了动力非线性分析和静力非线性分析,分别以失效柱顶部节点竖向位移、失效柱相邻柱的轴力为控制指标,得到静力非线性分析方法中动力增大系数的合理取值。比较结果显示：采用静力分析方法对结构抗连续倒塌的能力进行评估时,动力增大系数取2.0时较为保守,取1.6～1.8时能较好地与动力分析的峰值吻合。     

基础隔震结构抗连续倒塌动力非线性分析关键问题研究

为了研究隔震结构连续倒塌动力灾变行为特点,并对隔震结构动力非线性连续倒塌分析方法的关键参数取值提供参考,本文以基础隔震结构为模型,对比分析了底层框架柱和隔震支座失效时剩余结构动力响应特点,探讨了隔震结构连续倒塌分析方法中的关键参数取值问题与解决方法。结果表明:对于基础隔震结构,并非失效时长越小剩余结构响应就越大;对于计算精度要求较高的结构,在分析之前应进行失效时长的对比分析,以便选出计算成本低而精度高的最优失效时长;合理准确的荷载施加是保证计算精度的重要前提,减少外部荷载作用可以有效减轻剩余结构损伤程度;隔震层的特殊构造要求有利于增强支座意外失效时隔震结构抗连续倒塌能力。     

失效时长和结构延性对基础隔震结构连续倒塌影响分析

利用SAP2000有限元软件建立了一个4层基础隔震框架结构,利用非线性动力分析方法,主要从构件不同失效时长和延性角度分析了基础隔震结构在地震作用下的抗连续倒塌能力。研究结果表明:拆柱后,剩余结构在地震作用下对构件失效时长比较敏感,且随着失效时长的增加,梁端塑性铰转角和失效点竖向最大位移都有所减小;随着梁截面高度的增加,梁端最大塑性铰转角有所减小,抗连续倒塌能力有所提高。     

湿陷性黄土地基不均匀沉降对基础隔震结构的影响分析

为了研究湿陷性黄土地区基础隔震结构不均匀沉降对其减震性能的影响情况,对比分析了不同区域沉降时对隔震层及上部结构造成的改变,并在此基础上通过动力时程分析计算了地震动作用下结构橡胶隔震支座和层间变形的响应。研究结果表明:不均匀沉降发生后,沉降区域及相邻区域支座的变形和内力均会出现较大变化,并使隔震层及上部结构的梁、柱内力重分布,造成部分构件隐性损伤甚至失效;对于发生不均匀沉降的基础隔震结构,地震作用会导致上部结构的层间位移产生不同程度的增大,进而导致上部结构提前进入下一个能力水平范围。     

基础隔震结构抗连续倒塌设计方法研究

在极端偶然荷载作用下,极有可能发生因局部构件失效而引起的整体结构破坏甚至倒塌,具有特殊构造形式的隔震结构则需要专门设计来应对此类风险。应用SeismoStruct软件建立基础隔震结构有限元模型,通过改变上部结构抗震构造,隔震层梁、板尺寸,以及隔震支座型号等关键参数,对比分析了相应剩余结构的抗连续倒塌性能,探讨了隔震结构关键参数对抗倒塌性能的影响以及隔震结构抗连续倒塌设计方法。结果表明:水平向减震系数可降低一度分档,同时又有抗连续倒塌设计需求的隔震结构,建议上部结构抗震构造措施保持不降低处理;改变隔震层梁、板的尺寸均能一定程度影响剩余结构响应,但隔震层梁尺寸变化所产生的影响更为显著;橡胶隔震支座型号的变化对隔震结构抗连续倒塌的影响极为有限。     

钢骨混凝土框架结构抗连续倒塌分析

建筑物连续倒塌的原因主要是由于偶然或突发荷载作用,导致结构出现与初始破坏不成比例的大面积坍塌。针对这一特点,本文采用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对一榀大跨钢骨混凝土框架结构进行数值分析。分析其在单根边柱、角柱失效情况下剩余结构动力响应,包括失效节点竖向位移、梁端弯矩、柱轴力以及框架抗连续倒塌机制。研究表明:拆除构件柱子后,离柱子越近的柱的轴力变化值越大;离拆除柱越远,梁端弯矩的影响越小;拆除边柱对与拆除中柱相比较,拆除边柱对结构的抗连续倒塌更为不利,易于出现连续性倒塌。     

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。     

下弦与撑杆改进构型张弦梁结构抗连续倒塌动力试验研究

为研究下弦与撑杆改进构型张弦梁结构在连续倒塌过程中的动力响应与失效机理，参考国内某工程张弦梁结构，设计了一个改进构型的张弦梁结构模型。采用基于电磁控制的局部初始失效装置模拟跨中下弦杆失效，对该模型开展了抗连续倒塌动力试验研究。基于ANSYS/LS-DYNA程序对该类结构建立抗连续倒塌有限元模型，并通过试验和有限元联合分析明确了该类结构的备用传力路径、关键构件以及竖向位移动力放大系数的变化规律等。结果表明：改进构型张弦梁结构任一段下弦失效后，失效区域形成的空腹桁架为结构提供了备用传力路径，提高了结构抗连续倒塌性能；下撑杆作为下弦失效后的第二道防线，是剩余结构的关键构件，其失效将引发结构连续倒塌；当剩余结构受力处于弹性阶段时，竖向位移动力放大系数在1.2左右，随着结构进入塑性的程度增大，竖向位移动力放大系数逐渐增大，当荷载达到3.0倍设计工况时，动力放大系数接近2.0。     

考虑轴力转移的并联基础隔震结构地震反应分析

在地震作用下,并联基础隔震结构的隔震层随着水平位移的增加,由于两类支座竖向刚度不同,将在两类支座间出现轴力相互转移,隔震层的力与水平位移的关系呈现很强的非线性关系。根据该种隔震结构不同类型支座间轴力在地震过程中相互转移的特点,给出并联基础隔震体系考虑轴力相互转移的隔震层恢复力模型,提出一种基于SIMULINK环境下对并联基础隔震体系考虑支座轴力相互转移进行仿真计算分析的新方法。工程实例计算结果表明,考虑支座承受的竖向荷载变化时,隔震层最大水平位移比不考虑支座竖向承载力变化时有所下降,支座竖向承载力变化所引起的附加摩擦力已经成为一个不能忽视的因素。     

考虑轴力转移的并联基础隔震结构地震反应分析

 在地震作用下,并联基础隔震结构的隔震层随着水平位移的增加,由于两类支座竖向刚度不同,将在两类支座间出现轴力相互转移,隔震层的力与水平位移的关系呈现很强的非线性关系。根据该种隔震结构不同类型支座间轴力在地震过程中相互转移的特点,给出并联基础隔震体系考虑轴力相互转移的隔震层恢复力模型,提出一种基于SIMULINK环境下对并联基础隔震体系考虑支座轴力相互转移进行仿真计算分析的新方法。工程实例计算结果表明,考虑支座承受的竖向荷载变化时,隔震层最大水平位移比不考虑支座竖向承载力变化时有所下降,支座竖向承载力变化所引起的附加摩擦力已经成为一个不能忽视的因素。     

大跨度单层编织拱壳抗连续倒塌分析

为减少局部构件破坏引起结构连续倒塌的可能性,运用等效荷载瞬时卸载法对一综合交通枢纽中央站房屋盖进行了不同支座失效情况下的结构抗连续倒塌动力分析。利用应力比法分析站房结构屋盖的重要构件,采用ABAQUS软件对结构进行非线性动力分析,构件破坏判断标准参考美国规范的要求。介绍抗连续倒塌动力分析的承载力和变形判定准则,分析在关键构件失效瞬间结构的应力比和变形能否满足设计要求。结果表明,在不同位置支座失效的情况下,该屋盖发生了局部破坏,但破坏限制在去除构件周围的一定范围内;边支座失效情况下,结构破坏范围明显加大,但最终破坏仍限制在局部范围,不会造成整体结构的连续坍塌。     

铁路枢纽单层编织拱壳屋盖连续倒塌分析研究

为减少局部构件破坏引起结构连续倒塌的可能性,运用等效荷载瞬时卸载法对一综合交通枢纽中央站房屋盖进行了不同支座失效情况下结构抗连续倒塌的动力分析。利用应力比法分析了站房结构屋盖的重要构件,采用有限元程序ABAQUS对结构进行非线性动力分析,构件破坏判断标准参考美国标准UFC4-023-03的要求。介绍抗连续倒塌动力分析的承载力和变形判定准则,分析在关键构件失效瞬间结构的应力比和变形能否满足设计要求。结果表明:在不同位置支座失效情况下,该屋盖发生了局部破坏,但破坏限制在去除构件周围的一定范围内;边支座失效情况下,结构破坏范围明显加大,但最终破坏仍限制在局部范围,不会造成整体结构的连续坍塌。     

强震作用下边框架柱激发失效后混凝土结构接触-碰撞响应模拟

结构连续倒塌大多由柱失效引起,而框架结构中边柱断裂失效后悬链机制发展不充分,更易引起上部结构局部坍塌,引发构件之间的接触-碰撞,甚至导致结构整体倒塌。对强震下边框架柱激发失效的接触-碰撞响应进行动力时程分析,分析中将主从节点建模技术应用于Open SEES分析模型,运用约束处理法计算考虑构件突然失效时的动力效应,采用非线性Hertz-damp模型对边跨坍塌行为进行碰撞力学建模,程序中产生的机构通过构件移除来实现。利用外部的MATLAB程序调用Open SEES求解器计算得到的数据来计算碰撞力,并将其作为反作用力作用于Open SEES中的主结构模型,计算碰撞力和地震动联合作用下损伤结构的动力响应。研究发现:边柱断裂后引起的局部机构对下部梁的剧烈冲击可能导致下部结构的破坏,考虑接触-碰撞行为后,结构的水平位移、竖向位移、失效路径甚至倒塌模式都有显著的变化。     

梅江会展中心张弦桁架抗连续倒塌分析

通过对天津梅江会展中心张弦桁架移除关键构件后的残余结构的承载力分析,得到张弦结构的支座、边索和边跨桁架支座处下弦杆等关键构件的破坏对结构承载力影响最大;为了模拟杆件失效前静力荷载产生的初始变形对结构连续倒塌的影响,采用考虑初始变形的全动力等效荷载瞬时卸载法模拟杆件失效。对支座、边索和边跨桁架支座处下弦杆失效进行连续倒塌动力分析,研究了纵向联系桁架对张弦结构抗连续倒塌的作用,得到平面张弦桁架通过纵向联系桁架组装成一整体,其整体性随着纵向联系构件抗弯刚度的增大而提高,共同作用效果明显。在此基础上,利用山墙的抗风柱,将边跨张弦桁架改变为多支点支承的普通桁架,设计时该抗风柱不仅承担水平风荷载,还承担竖向荷载,从而提高结构的抗连续倒塌能力。并根据该工程的特点提出集桁架支座、张拉端（锚固端）和桁架下弦管于一体的铸钢节点构造,不仅满足建筑要求,还使得该处节点承载力大大加强,可供相关工程参考。     

随机地震作用下层间隔震结构的损伤分析

考虑地震动的随机性对层间隔震结构损伤破坏造成的差异性,选取16条随机地震动,利用Open SEES平台分别对两种隔震结构进行增量动力分析,同时结合改进的Park-Ang局部损伤模型和加权秩和比的统计分析方法分别对层间隔震结构和柱顶隔震结构的损伤破坏模式进行统计分析。研究表明:两种隔震结构的失效均主要表现为隔震层支座、上部子结构梁构件和下部子结构柱构件的损伤破坏,但两种结构各子结构的损伤破坏顺序和破坏机理存在很大差异。层间隔震结构的主要破坏模式顺序依次为:隔震层、上部子结构梁构件、下部子结构柱构件;而柱顶隔震结构破坏依次为上部子结构梁构件、隔震层、下部子结构柱构件。     

方钢管框架钢板剪力墙核心筒结构抗倒塌分析

为研究方钢管混凝土框架-钢板剪力墙核心筒结构的抗连续倒塌性能,建立一栋15层原型结构,在不同初始损伤模型下采用拆除构件法对结构进行非线性动力分析,得到失效节点竖向位移时程曲线以及失效柱范围内梁、柱内力变化情况。研究表明:底层内柱失效后节点竖向位移最大,底层筒体柱失效后节点竖向位移最小;底层柱失效后,内力重分布主要发生在失效柱相邻跨范围内,梁柱内力均增大,荷载传递遵循就近原则;结构在不同抽柱工况下均未发生倒塌,其中内柱属于最不利位置。     

隔震支座弯剪耦合及二阶效应的影响研究

按照《建筑隔震设计标准》(GB/T 51408—2021)规定,隔震层下部结构的承载力验算,应考虑上部结构传来的轴力、弯矩、水平剪力以及由隔震层水平变形产生的附加弯矩。从Timoshenko梁单元刚度矩阵出发,推导了考虑弯剪耦合的连接单元刚度矩阵及非线性内力算法;开发了考虑弯剪耦合及二阶效应的隔震支座单元,通过典型算例分析了弯剪耦合及二阶效应对支墩弯矩的影响。以实际隔震结构为例,分析了隔震支座弯剪耦合及二阶效应对隔震支座相连构件内力、配筋及结构整体指标的影响。结果表明,考虑隔震支座弯剪耦合及二阶效应对隔震支座上支墩、下支墩及与其相连梁的内力及配筋影响显著,但对隔震结构层间位移角、层间剪力及隔震支座耗能的影响较小。在进行隔震层设计时,建议采用考虑弯剪耦合及二阶效应的隔震支座单元进行隔震层的直接分析设计。     

大底盘RC框剪层间隔震结构的地震失效模式分析

为了考察底盘抗侧移刚度变化对大底盘RC框剪层间隔震结构地震失效模式的影响,采用有限元分析软件Perform-3D建立底盘层高不同而构件尺寸和材料强度不变的3种大底盘RC框剪隔震结构弹塑性模型,通过增量动力分析法,对比分析三种隔震模型的隔震层最大水平位移、最大弹塑性层间位移角及隔震支座最大拉和压应力的IDA曲线。结果表明,当PGA较大时,随着底盘抗侧移刚度的减小,隔震支座最大压应力和底盘的弹塑性层间位移角均增大,并且两者对大底盘层间隔震结构的破坏失效起控制作用。