采用静-动力转换方法的钢管混凝土框架受火倒塌非线性分析

火灾引起结构倒塌不同于其他瞬时倒塌破坏（地震、冲击或者爆炸）,倒塌全过程为准静态平衡和动态相结合的复杂过程,为研究局部火灾引起的钢管混凝土框架结构倒塌破坏机理和动力响应,该文基于ABAQUS预定场和重启动功能,采用静-动力转换分析方法进行了某9层钢管混凝土空间框架结构体系的受火连续性倒塌非线性分析,研究该结构第6层角部开间受火场景下的倒塌破坏模态,分析梁、柱构件受火失效引起的空间框架全过程倒塌机理及整体结构产生动力效应的影响规律。框架梁柱构件均采用纤维梁单元,钢筋混凝土楼板采用分层壳单元,钢材和混凝土材性采用自定义开发的单轴本构材料模型。分析结果表明,静-动力转换方法可以较好地模拟结构受火倒塌全过程,节省了计算时间,又反映了结构的动力特性。由空间框架倒塌全过程示意可知,角柱失效后触发结构发生局部连续倒塌破坏,倒塌临界时间为253min(4.2h),结构整体的耐火时间远大于单个构件的耐火要求。火灾引起结构的局部倒塌全过程分为五个阶段：受火初期膨胀阶段,局部屈曲阶段,短暂平衡阶段,卸载阶段和局部倒塌破坏阶段,前四个阶段为长持时的准静态分析,第五阶段为非线性动力问题;此外,受火区域竖向构件失效后,其卸载传力路径遵循就近原则。     

采用静–动力转换方法的钢管混凝土框架受火倒塌非线性分析

火灾引起结构倒塌不同于其他瞬时倒塌破坏(地震、冲击或者爆炸),倒塌全过程为准静态平衡和动态相结合的复杂过程。为研究局部火灾引起的钢管混凝土框架结构倒塌破坏机理和动力响应,基于ABAQUS预定场和重启动功能,采用静–动力转换分析方法进行某9层钢管混凝土空间框架结构体系的受火连续性倒塌非线性分析,研究该结构第6层角部开间受火场景下的倒塌破坏模态,分析梁、柱构件受火失效引起的空间框架全过程倒塌机理及整体结构产生动力效应的影响规律。框架梁柱构件均采用纤维梁单元,钢筋混凝土楼板采用分层壳单元,钢材和混凝土材性采用自定义开发的单轴本构材料模型。分析结果表明,静–动力转换方法可以较好地模拟结构受火倒塌全过程,节省计算时间,同时能够反映结构的动力特性。由空间框架倒塌全过程示意可知,角柱失效后触发结构发生局部连续倒塌破坏,倒塌临界时间为253 min(4.2 h),结构整体的耐火时间远大于单个构件的耐火要求。火灾引起结构的局部倒塌全过程分为5个阶段:受火初期膨胀阶段、局部屈曲阶段、短暂平衡阶段、卸载阶段和局部倒塌破坏阶段;前4个阶段为长持时的准静态分析,第5阶段为非线性动力问题。此外,受火区域竖向构件失效后,其卸载传力路径遵循就近原则。     

高耸高层钢结构焊缝疲劳劣化机理与寿命预测研究评析

高耸高层钢结构焊缝在风和地震作用下的疲劳裂纹萌生和扩展是一种危及结构安全甚至引起结构倒塌的钢结构重要破坏形式,已经引起国际土木工程领域的关心和重视.高耸高层钢结构焊缝多轴高周弹性应力疲劳和多轴低周塑性应变疲劳劣化机理和寿命预测的研究现状是:1)焊缝应力和应变演化过程分析;2)焊缝疲劳损伤表征;3)焊缝疲劳寿命预测与设计方法.在此基础上指出未来的主要研究方向,包括:1)焊缝多尺度应力和应变状态模拟方法;2)焊接残余应力场的产生机理、分布模式和松弛规律;3)焊缝等效疲劳损伤参量的数力学表征;4)焊缝疲劳劣化机理;5)焊缝疲劳寿命预测方法.研究结果可为高耸高层钢结构焊缝疲劳劣化机理与寿命预测研究提供参考.     

RC框架结构连续倒塌动力响应影响因素分析

在极端荷载作用下,结构局部会发生初始损伤.由于初始损伤会在不同结构构件间发生传递,可能会引发结构整体的连续倒塌,造成重大经济损失和人员伤亡.为评估结构的抗连续倒塌能力,通常采用拆除构件法对结构在某一构件发生失效后的整体承载能力进行分析.拆除构件法包括非线性静力Pushdown分析方法和非线性动力分析方法.本文对拆除构件法中非线性动力分析方法的主要影响因素进行研究.选择一个按中国规范设计的五层三跨钢筋混凝土框架结构作为研究对象,分析框架柱失效时长、重力荷载分布形式以及动力加载方式对结构在瞬间失柱条件下非线性动力反应的影响.研究结果表明:柱失效时长对结构非线性动力反应影响显著,当失效时长大约为结构自振周期的0.5倍时,结构非线性反应的动力效应几乎消失;采用不同重力荷载分布形式(满跨分布和受损跨分布)对结构的非线性动力反应影响并不明显;与先加载后移柱的动力加载方式相比,采用先移柱再加载的动力加载方式会放大结构的非线性动力反应,但放大效应有限.     

海洋平台结构连续倒塌非线性动力响应分析

目前,对突发性极端荷载作用下海洋平台结构整体倒塌的非线性动力过程研究较少.基于海洋平台结构非线性动力时程分析,研究平台结构由于初始破坏引起的动力放大效应,建立海洋平台局部桩柱失效的等效静力模型,采用瞬时加载法,对局部失效的平台模型进行非线性动力响应分析.分析结果表明:随着DCR(需求能力比)值的增加,失效点的竖向位移增加明显,当DCR值很大时,极端荷载可能造成失效结构响应特性发生改变;失效桩柱节点动力放大系数远大于非失效桩柱节点动力放大系数,当DCR=0.9时桩柱失效动力放大系数最大为2.156;随着DCR值的增加,失效节点动力放大系数增加明显,而非失效桩柱结构的动力放大系数基本上保持不变.     

风暴潮、浪作用下中小型跨海桥梁破坏形式与数值模拟研究

强台风形成的巨浪、风暴潮对跨海桥梁的安全造成了严重威胁,为探讨台风风暴潮、浪共同作用下中小型跨海桥梁上部结构和下部结构的破坏机理及台风风暴潮期间不同水位下的波浪对下部结构的作用规律,开展了台风风暴潮、浪共同作用下中小型跨海桥梁破坏形式调研,发现风暴潮、浪作用下中小型跨海桥梁上部结构的破坏形式主要有梁体离位、梁体脱落和梁体断裂,主要原因为梁体被迫发生无约束运动;下部结构破坏主要表现为结构偏移、倒塌以及盖梁连接失效破坏,主要原因为水动力作用较强及上部结构撞击。通过CFD三维数值模拟研究了桥梁下部结构波浪荷载,给出了考虑风暴潮水位下波浪冲击桥墩的经验公式。根据调研及数值模拟,提出了设计及施工建议。     

CFST框架-SPWS结构的地震响应分析

对一按8度抗震设防的钢管混凝土框架-带竖缝钢板剪力墙结构(简称CFST框架-SPWS结构),基于LS-DYNA有限元程序对其进行了常遇地震作用下的动力响应分析,及罕遇地震作用下的倒塌分析.同时,进行了无带竖缝钢板剪力墙的框架结构在相应地震作用下的动力响应分析及倒塌分析.对比分析结果表明:钢管混凝土框架-带竖缝钢板剪力墙结构具有良好的抗震性能,在较高水平地震作用下,其结构局部破坏总是先于钢板剪力墙中出现,从而阻止或延缓了结构其他部位的破坏;钢管混凝土框架-带竖缝钢板剪力墙结构的抗倒塌能力明显强于不带钢板墙的结构,且在相同的地震作用水平下,有剪力墙结构的层间侧移明显小于无剪力墙结构.     

钢筋混凝土框架结构侧向倒塌地震易损性分析

为研究钢筋混凝土框架结构在地震作用下的侧向倒塌易损性,采用多地震动增量动力分析方法,用FEMA准则和结构有限元计算失稳作为结构侧向倒塌能力点的确定准则,分析得到一栋5层3跨钢筋混凝土框架结构的侧向倒塌易损性曲线.结果表明:FEMA准则对结构侧向倒塌定义偏于保守.在大震作用下,结构倒塌风险较小.     

空间桁架非线性动力反应及倒塌分析

本文对空间桁架线性及非线性动力反应进行了研究。通过对Newmark效值积分稳定性的推导,结合结构的倒塌机理,提出了判定结构动力倒塌的双重判定准则。分析了北京机场机库结构弹性的和弹塑性的地震反应,以及结构在强震下倒塌的全过程。     

短程线网壳结构强震作用下的动力强度破坏

为对短程线型单层球面网壳结构进行强震作用下的动力全过程分析,研究了结构的失效机理.对40m跨的短程线型理想网壳结构和考虑初始缺陷的网壳结构进行全过程动力时程分析,考查了此类型网壳结构的动力性能和破坏形式,采用一致缺陷模态法处理初始缺陷,分析初始缺陷对短程线网壳结构动力性能的影响;对具有初始缺陷的网壳结构进行了参数影响分析,分别考查地震作用、杆件截面和屋面荷载三种因素对结构动力性能的影响,研究在不同条件下短程线网壳结构的动力失效机理和破坏模式;将研究结果与其它球面网壳结构进行了比较,验证了已提出的理论框架的合理性和实用性.     

不同约束下H型钢柱火灾行为的非线性分析

随着钢结构在建筑工程中发挥着日益重要的作用,其防火问题成为一个不可回避的重大课题。因此,钢结构在火灾温度场下的破坏机理研究显得尤为重要。本文假设火灾温度场为ISO834曲线,考虑热辐射和热对流共同作用的四面受火情况,通过有限元数值方法模拟了H型钢柱随时间变化的温度场分布。根据热传导得到的瞬态温度场,并且考虑到钢材物理特性随温度变化引起的材料非线性及几何非线性,进行了受压钢柱在不同约束条件下的热应力分析。论文分别对两端铰支、两端铰支且限制轴向位移等情况下,H型钢柱随温度变化的应力、位移等热响应进行了模拟计算。结果表明,轴向约束的提高在一定程度上降低了高温下钢柱的极限承载力及极限温度承载力。     

层间柱梁强度比对混合屈服机制钢管混凝土框架结构性能的影响

基于层间柱梁强度比方法,设计出一种允许具有部分柱屈服的整体型屈服机制——混合屈服机制钢管混凝土框架结构.该结构通过设立强度较大的边柱来避免层间屈服破坏,而允许中柱柱端屈服,从而放松中柱的强柱弱梁条件.采用弹塑性动力时程分析方法,比较了梁铰屈服机制和混合屈服机制的两种6层框架结构的地震响应,讨论了允许出铰的中柱柱端塑性变形情况,并分析了混合屈服机制实现的可能性.研究表明,层间柱梁强度比是控制钢管混凝土框架结构整体屈服模式的有效参数,不同的强度比下结构表现出极为不同的性能,因此具有重要意义.     

横向荷载作用下钢柱厚型防火涂料破损试验

为研究钢柱上厚型防火涂料在外力作用下的破坏规律,进行了3个钢柱在外力作用下的防火涂料破损试验,研究H型钢柱上的厚型防火涂料分别在单向加载和往复加载作用下的破坏现象和破坏模式,并对试验结果进行分析.结果表明:防火涂料和界面剂之间以及界面剂和钢板之间的粘结性能差,钢柱受外力作用后粘结很容易破坏.单向加载的钢柱,在受拉翼缘上,初始裂缝间距逐渐加大并会产生新的横向裂缝,柱底部防火涂料脱落;在受压翼缘上,初始干缩裂缝逐渐闭合,柱底的防火涂料被压碎.往复加载的钢柱,粘结更容易破坏.外力作用下,钢柱上防火涂料容易破损,下端翼缘上破损严重,破损模式为大片剥离和脱落,破损程度和柱顶水平荷载有关,腹板上的防火涂料基本完好.     

爆炸荷载作用下钢框架柱冲击响应与破坏模式的数值模拟

目的运用非线性显示动力学有限元方法分析计算爆炸冲击荷载作用下钢框架柱的冲击响应和破坏模式．方法基于有限元分析程序ANSYS／LS—DYNA建立三维有限元模型,分析钢框架柱在3种爆炸荷载作用下可能发生的破坏模式特征及其影响因素．结果壳单元shell163考虑了局部屈曲效应和剪切应变的影响,可以有效模拟在爆炸荷载作用下钢框架柱的冲击响应和破坏模式．在荷载峰值相同的情况下,荷载持续时间越长,结构的变形越大;荷载冲量相同时,爆炸荷载峰值压力越高,结构的破坏程度越严重．结论钢框架柱的破坏模式与爆炸荷载的作用特征有关：在冲量荷载作用下,钢框架柱倾向发生柱脚剪切破坏和柱中翼缘屈曲破坏;在动力荷载作用下,钢框架柱则倾向发生柱脚剪切破坏;在准静态荷载作用下易发生整体弯曲屈曲破坏．     

Dynamic response and failure behavior of rock under static-dynamic loading

Dynamic response and failure behavior of rock under static-dynamic loading were studied. The effects of initial static load on the total energy dissipated during the failure process of specimen were analyzed. To simulate the engineering situation that in-situ rock experienced and obtain the dynamic loading with an intermediate strain rate, a low cycle fatigue load with the frequency from 0.5 to 5 Hz was adopted by servo-controlled Instron material testing system. The results show that the obtained strain rate increase with the increase of load frequency. The initial static load has great influence on both the energy and dynamic response of rock. Both the energy and the maximum failure load Pf decreases with the increase of initial static load. Pf under the static-dynamic loading is larger than that under only the static loading but less than that under only the dynamic loading. The load-displacement curves become nonlinear as the pre-added static load reaches the transition point which is about one third of static strength. With the increase of initial static load, Young‘s modulus decreases and poisson ratio increases. It shows that rock has a lower strength and a tendency to soften under a higher initial static load. Rock may be broken more easily static-dynamic loading than under only the dynamic loading. The proposed method is useful in the investigation of constitutive relationship and failure behavior of rock under quasi-dynamic loading.     

爆炸荷载作用下基于抗剪承载力的钢柱失效准则

为实现爆炸荷载作用下钢柱快速损伤评估及失效分析,作者分别基于壳单元的精细化模型和梁-柱纤维模型,研究了爆炸荷载作用下钢柱的动态响应;通过位移、剩余竖向承载力和钢柱最大剪力指标,对钢柱进行损伤评估和失效分析.在钢柱剩余承载力基础上提出了基于抗剪承载力的钢柱失效破坏准则,并通过数值模拟对其进行验证.结果表明:基于抗剪承载力的钢柱失效准则能较为准确地预测钢柱在爆炸荷载作用的剪切破坏及由此导致的钢柱剩余承载能力的丧失;梁-柱纤维模型可用于钢柱的损伤失效分析,比精细化模型的计算效率高,但分析结果偏于安全.     

建筑结构地震火灾效应分析方法

为在建筑结构设计时考虑地震引发火灾对建筑结构的作用和影响,提出建筑结构地震火灾效应分析计算方法,此方法结合结构地震反应分析与火灾热力反应分析,通过简化的建筑结构地震损伤模型,考虑地震损伤的同时,连接结构的热传导分析与热力分析,从而实现地震火灾效应计算。运用此方法对一单层和一多层混凝土框架分别进行了分析,并与没有考虑地震损伤时框架的高温试验结果进行了对比,分析结果表明,考虑地震作用后的结构在火灾下的破坏形态可发生改变,结构耐火极限随着地震作用的增加而降低。     

钢框架柱抗火承载力的非线性有限元分析

为深入了解火灾下钢框架柱的受力性能和破坏模式以及各种因素对其抗火承载力的影响,采用有限元方法对H型钢框架柱在火灾中的反应进行了理论分析.结果表明:火灾中相连梁膨胀产生的推力对框架柱的耐火极限具有明显的降低作用,且随着框架柱荷载水平的增加这种影响加剧;由于内力重分布的影响,框架柱轴力在火灾初期持续增长,火灾后期反而降低甚至低于常温状态,且在火灾中随着温度的升高框架柱的端弯矩持续减小;火灾中H型钢框架柱的翼缘端部、中部发生明显的局部失稳现象,局部失稳的位置将影响抗火设计中柱的计算长度的取值.     

故宫灵沼轩钢结构动力特性与地震响应

为保护文物建筑,以故宫灵沼轩钢结构为研究对象,采用数值模拟方法,研究了该结构动力特性及地震响应。基于结构残损现状及钢结点的半刚性特性,考虑3种工况来建立灵沼轩钢结构的有限元模型。通过模态分析,研究了不同工况条件下灵沼轩钢结构的基频和主振型。通过时程响应分析,研究了8度常遇地震作用下典型节点的变形及内力响应情况,讨论了结点刚度退化对结构抗震性能的影响。通过8度罕遇地震作用下的响应谱分析,研究了灵沼轩钢结构的抗倒塌能力。研究结果表明:结点刚度退化时,灵沼轩钢结构基频减小,振动形式发生改变;8度常遇地震作用下,结构保持稳定振动状态,其变形响应峰值趋于偏大,内力响应峰值趋于偏小,且均在容许值范围内。8度罕遇地震作用下,各工况条件下的钢结构均有良好的抗倒塌能力。