单层平面钢框架连续倒塌动力效应分析

为研究结构连续倒塌由于初始破坏引起的动力效应,该文采用瞬时加载法,对中柱失效的单层平面钢框架分别采用简化模型和杆单元模型进行动力反应分析。分析结果表明:当结构处于线弹性状态时,动力放大效应仅与构件失效时间和阻尼比有关,动力放大系数最大值为2,且随着构件失效时间和阻尼比的增大而减小;当结构屈服进入塑性状态后,动力放大效应还与需求能力比(DCR)有关,动力放大系数随着DCR的增大而增大,直至结构出现动力发散。     

结构倒塌时楼板碰撞效应的简化评估方法

针对上楼板、下楼板碰撞的两种极限状态 -- 完全塑性碰撞和完全刚性碰撞,开展了碰撞过程中动能转移量的理论分析,考察了上板、下板质量比对动能转移量的影响,同时进行了2种极限状态下动能转移量的数值计算;提出了结构倒塌时上板、下板碰撞效应的一种简化评估方法,具体包括2个步骤：1) 下板的非线性静力分析;2) 采用能量平衡原理估算上板的最大允许重力荷载。研究表明：上板、下板质量比等于1时,完全塑性碰撞后的总动能转移百分比和下板动能转移百分比分别为33.3%和16.7%;完全刚性碰撞后的下板动能转移百分比与碰撞前上板速度、碰撞后上板周边反弹速度等参数有关,上板、下板质量比等于1时下板动能转移百分比为44.4%~97.1%;采用通用软件ABAQUS计算得到的两种极限状态对应的下板动能转移百分比,总体上与理论分析结果较为接近。     

单层空间网格结构刚性节点优化设计方法研究

单层网格结构中的节点不仅须传递轴力,也须传递两个方向上的弯矩。因此,单层网格结构中的节点为受力复杂的刚性节点,应具有合理的结构形式和良好的力学性能。同时,单层网格结构节点连接复杂、高空施工难度大,节点与杆件应有可靠、方便、通用的连接方式。该文提出了单层网格结构刚性节点优化设计方法：通过构造设计节点端,实现节点与杆件的连接;通过对受力复杂的节点核进行拓扑优化,开发高效的受力节点形式。在优化模型中,通过与外荷载无关的自平衡力系表示节点弯曲刚度,使得优化后的节点在任意方向上均有良好的弯矩传递能力。为避免拓扑优化中将力直接施加在设计域而导致的应力奇异问题及节点形式受限的缺点,通过施加加速度场,以体积惯性力等效集中荷载,降低了优化结果对边界条件的敏感性,获得了稳定、可靠的优化结果,解决了刚性节点拓扑优化中的关键技术难点。并以一个实际结构中的节点为例进行优化设计。通过分析节点端连接性能、力学性能以及与传统节点进行对比,验证了将拓扑优化和构造设计相结合的刚性节点优化设计方法。     

钢框架结构在坠落块体撞击作用下的动力效应分析

局部构件失效导致钢框架结构的传力路径发生变化,除了影响正上方结构的受力性能,还可能使下层结构受到局部块体掉落冲击影响.下层结构能够抵抗撞击荷载,是框架结构抵抗连续倒塌的重要研究内容.下层框架梁碰撞的动力特性对研究其抗倒塌能力至关重要,其中最大位移和撞击力变化是关键的动力特性.考虑完全塑性撞击和完全刚性撞击两种极端情况,...     

混凝土梁柱子结构连续倒塌动力效应的试验研究

连续倒塌是结构系统的非线性动力行为,准确评估动力效应是建立简化工程设计方法的核心工作。为了研究钢筋混凝土梁柱子结构动力连续倒塌机理和动力效应,对4个尺寸和材料完全相同的试件分别开展了1次静力和4次动力试验。试验结果表明：动力连续倒塌的应力集中和非对称受力现象更加明显,且受材料应变率效应的影响,梁端受拉裂缝集中开展,受压区混凝土压碎剥落区域较小;考虑到动力损伤和材料应变率对结构自身抗力特征的影响,广义动力抗力能够更加准确地描述实际动力连续倒塌过程中的抗力需求;动力损伤和材料应变率效应使得结构的动力放大效应增强,实际动力放大系数均大于传统理论预测值。     

地震作用下钢框架落层倒塌效应模拟分析

为了研究地震作用下钢框架结构的落层倒塌效应,根据相关文献提供的9层钢框架模型,利用非线性显式动力有限元程序LS-DYNA分析其在地震作用下的结构响应,同时模拟相关文献中的振动台结构倒塌试验,分析结果同文献对比较为吻合,验证了模型的合理性。对该钢框架在强震作用下的倒塌效应进行仿真,分析表明强震作用下首先由于结构中部薄弱层层间位移角发展达到1/10并持续增大,发生落层倒塌,上部楼层碰撞作用于下部楼层,使下部相邻楼层柱轴力突增,加剧该层P-Δ效应,导致下层倒塌;此外第1层层间位移角亦发展达到1/10并持续增大,继而导致钢框架整体发生连续倒塌破坏。分析了落层倒塌碰撞作用下,薄弱层相邻下层柱总轴力变化规律,其动力放大系数可能大于规范取值。加强薄弱层抗侧刚度可有效防止钢框架发生倒塌破坏;合理设计的钢框架结构当薄弱层层间位移角超过规范限值但未出现持续增大现象时,不出现倒塌破坏。     

空间框架抗连续倒塌分析

因结构局部破坏后荷载沿不同方向传递引起内力重分布,空间结构分析在连续倒塌研究中具有重要意义.该文为研究框架结构抵抗连续倒塌的特点,使用线性静力方法分析了空间钢框架撤柱后的受力性能,与单榀框架撤柱分析进行了比较,并研究了不同平面布置形式对最大需求能力比DCR(demand for the capacity ratio)的...     

单层球面网壳考虑一致倒塌概率的倒塌安全储备分析

提出了考虑一致倒塌概率的单层球面网壳结构倒塌安全储备计算方法。以标准正态分布作为倒塌概率密度函数,采用指数型分布函数描述地震危险性,在假定网壳结构特大震倒塌率限值为10%的情况下,将两者积分得到了适用其50年内一致倒塌概率限值为0.46%,低于针对普通房屋建筑结构50年内一致倒塌概率1%的限值。在定义网壳结构特大地震强度水平的基础上,引入一致倒塌概率对其进行了修正。根据修正特大震强度,最终提出了针对网壳结构的倒塌安全储备系数（CMR）计算方法,这种做法可以使所做的抗倒塌设计更好地考虑到所有超越概率地震动水平,保证各抗震设防烈度下大跨网壳结构具备统一的倒塌概率限值要求。另外,通过谱形状参数对建议的倒塌安全储备计算结果进行了谱修正。针对三个算例网壳的增量动力分析对比了不同矢跨比和不同结构类型对倒塌安全储备以及50年倒塌概率的影响,三个算例结构均能满足倒塌概率限值的要求,50年倒塌概率与倒塌安全储备有较好的一致性。     

单层球壳结构强震下倒塌模式的构件截面优化

以结构杆件重量最轻为优化目标,以杆件截面尺寸为优化变量,建立单层球壳结构倒塌模式优化模型。优化模型考虑长细比、挠度、杆件强度及稳定约束条件,保证优化后结构满足规范和规程要求,同时将构形度也作为约束条件,保证优化后结构在强震下呈现理想的、有征兆的强度破坏特征。针对遗传算法(GA)和模拟退火算法(SA)各自的优缺点,以遗传算法作为主体流程,将模拟退火算法的优化机制融入其中,建立遗传-模拟退火算法(GASA)。采用C++语言编写GASA计算程序,与APDL语言编写的有限元分析命令流相结合,得到GASA-ANSYS优化程序。采用该程序对跨度为70m的K6型单层球壳结构进行优化。通过对优化后结构进行构形易损性分析和地震动力时程分析,表明所提出的优化模型及优化程序能够解决大型单层球壳结构地震作用下倒塌模式的截面优化问题。     

混凝土空间板柱结构震致落层倒塌的试验研究

开展了2个具有薄弱层的3层混凝土空间板柱结构模型的地震模拟振动台试验,采用加速度峰值逐级加大的El-Centro (NS) 波作为输入激励,直至薄弱层发生落层倒塌。量测了倒塌前、倒塌后模型各层的水平加速度响应,以及倒塌碰撞引发的薄弱层及其下层楼板的竖向加速度响应。模型M-2相比于模型M-1额外施加了附加配重。试验结果表明：1) 随着地震损伤程度的增加,模型的扭转效应有所增大;2) 倒塌前模型M-1和模型M-2的基本频率仅比初始值分别降低8.9%和4.7%,采用频率改变幅度进行结构倒塌预警可能是不现实的;3) 倒塌碰撞导致模型各层的水平加速度出现短时剧烈波动,波动期间模型M-1和模型M-2各层的绝对加速度最大值介于5g~10g之间,分别为倒塌前各层绝对加速度最大值的5倍~20倍和10倍~50倍;4) 倒塌碰撞引发的楼板竖向加速度高达30g~40g。     

基于能量的局部火灾引起钢结构连续倒塌简化分析方法

为研究局部火灾引起多高层钢结构倒塌的破坏机理以及多高层钢结构在火灾下的抗倒塌性能,基于结构初始倒塌破坏机制,建立了单柱受火的火灾引起多高层钢结构倒塌分析的单自由度简化分析模型,模型将受火柱上部结构简化为三折线弹塑性弹簧模型,将受火柱简化为集中塑性铰模型,并推导了基于能量的结构反应计算公式,建立了能量的计算方法。最后通过整体结构的数值对比分析,验证了此方法用于火灾引起钢结构连续倒塌分析与计算的合理性与可行性。     

钢框架内爆炸连续倒塌简化分析方法

目前我们对建筑结构进行连续性倒塌分析时经常参考和借鉴美国GSA规范方法,这种方法中的倒塌评判标准在我国不是很适用。爆炸激励仿真分析方法虽然可以考虑空气冲击波对结构的作用及结构构件的损伤破坏,但是由于计算量过大而很难在实际工程中应用。该文利用简化的爆炸荷载考虑爆炸空气冲击波对结构构件的作用;利用可以考虑应变率效应的非线性...     

大跨桁架体系的连续性倒塌分析与机理研究

在突发事件的直接影响下,结构的局部构件可能首先发生初始破坏并进一步导致结构的连续性倒塌。与框架结构或承重墙体系相比,大型公共建筑中普遍采用的桁架体系具有冗余度较低的特点,为提高其结构鲁棒性,必须在详细分析基础上采用不同的设计策略。该文以钢屋架体系为例,通过连续性倒塌过程的数值分析,研究了内力重分布过程、动力效应和主要破坏模式等问题;根据局部杆件失效后的结构特性,归纳出转动铰机制、滑移面机制和长压杆机制等三种基本的局部内力重分布机制;结合简化数学模型的理论分析,阐述了敏感构件和关键构件的概念,为该类结构的安全性评价提供了一种简便的尺度。     

大跨空间结构连续倒塌分析若干问题探讨

为了能利用变换荷载路径法(AP法)分析大跨空间结构抗连续性倒塌性能,在提出了一种AP法中移除构件确定方法的基础上,对连续性倒塌过程中失效构件的模拟方法进行了研究,提出了考虑初始状态的等效荷载瞬时卸载法,该方法可在一个计算过程中同时模拟构件失效前整体结构的初始状态和构件的后续突然失效过程。算例分析表明,该方法可以很好的考虑结构的初始状态及动力效应。然后针对网架结构体系,讨论了利用AP法中静力分析方法的荷载动力放大系数(DIF)。分析结果表明：该文算例空间网架结构的DIF均小于2.0,但是在长边中柱和角柱失效时,其值较为接近2.0。该文最后讨论了大跨空间结构连续倒塌的判断准则。     

单层球面网壳抗连续倒塌性能研究

该文结合单层球面网壳冗余度较低、稳定性问题突出等特点,提出了一种基于构件承载能力的敏感性评价指标,对采用不同网格布置形式的单层球面网壳进行了连续倒塌分析,明确了结构在极端雪荷载作用下的连续倒塌破坏模式以及敏感构件和关键构件的分布规律,分析了初始缺陷和压杆屈曲对构件敏感性的影响。分析结果表明：网格布置形式对单层球面网壳的抗连续倒塌性能以及破坏模式有很大影响,K8型网壳以及K8-联方型网壳在撤除敏感构件后均发生了整体倒塌破坏,而短程线型网壳的内力重分布能力较强,未发生连续倒塌破坏。增大关键构件的截面尺寸比增大敏感构件的截面尺寸更能有效提高单层球面网壳的抗连续倒塌性能。考虑初始缺陷后,构件重要性系数最多增大3.0倍,敏感构件的分布位置基本不变;而考虑压杆屈曲后,结构敏感构件的数量明显增加,重要性系数增大了1.2倍~5.6倍。     

多向动力耦合激励下隔震结构连续倒塌性能分析

为分析隔震结构在多向动力耦合激励下的连续倒塌动力响应及抗倒塌能力,建立了隔震结构在多向动力耦合激励下的运动方程,对比分析了隔震结构仅考虑竖向不平衡荷载作用与考虑多向动力耦合激励下的倒塌动力响应,基于二次四阶矩可靠度理论建立随机鲁棒性指标,并利用该指标对隔震结构抗倒塌能力进行评判。研究结果表明：隔震结构在多向动力耦合激励下,其倒塌动力响应更大;支座瞬时失效后,结构内力重新分布达到新的平衡所需时间更长;结构抗连续倒塌能力更弱。     

钢框架连续倒塌的模拟方法研究

对钢框架结构在进行连续倒塌分析时的计算模型进行了研究。以1个两层两跨平面钢框架为例,分别建立了传统的理想刚接杆系模型和实体模型,采用抽柱法对2种模型进行了动力非线性分析,比较分析结果得出传统的理想刚接杆系模型由于没能考虑节点的受力与塑性变形,不能准确地反映结构连续倒塌的动力效应,使得结构抗连续倒塌性能评估结果偏不安全。对引入节点机械模型的平面钢框架进行连续倒塌分析,其计算结果与实体模型的结果接近,可较准确地反映结构抗连续倒塌性能,且耗时远小于实体模型的计算时间。建议对框架结构进行连续倒塌分析时采用引入节点性能的杆系模型。     

RC空间框架结构竖向倒塌全过程试验研究与理论分析

采用抽柱法对一双层双向RC空间框架结构进行了拟静力倒塌试验,分别研究了框架结构底层边中柱失效后,剩余结构的竖向倒塌过程、倒塌机制和倒塌细节。试验结果表明：RC空间框架结构竖向倒塌分为外推阶段(拱作用阶段)、内收阶段(悬链线作用阶段)和倒塌阶段三个阶段;现浇楼板推迟甚至避免了梁铰出现,具体与现浇楼板对梁的约束大小有关;RC空间框架结构具有良好的抗连续倒塌性能,但应特别注意现浇楼板对结构抗连续倒塌性能的影响。在试验研究基础上,分析了RC空间框架结构竖向倒塌机制的转化过程,提出了最大侧向变形和临界塌落位移的计算模型和求解方法,建立了结构损伤指数模型。