塑性铰模型对混凝土框架结构动力弹塑性分析的影响

建筑结构在遭遇罕遇大震时,部分结构构件将进入塑性状态.对结构进行弹塑性分析可以更好地掌握建筑结构在大震下的动力响应特性.基于SAP2000软件,分别采用该软件提供的默认塑性铰单元和弹塑性计算用的塑性连接单元,建立混凝土框架结构的弹塑性动力计算模型,输入折线时程曲线和地震记录曲线,进行弹塑性动力时程分析.结果表明,采用刚塑性滞回模型的默认塑性铰单元计算得到的结构加速度响应比采用弹塑性滞回环模型的要低,在使用程序默认塑性铰单元作动力弹塑性时程分析时需要注意考虑该现象对结果的影响.     

大跨斜拉桥结构健康监测的有限元分析模型

桥梁结构健康监测的有限元模型是桥梁结构健康评估系统的重要组成部分,它必须能够准确计算桥梁结构的整体动力特性.所建立的模型是某大跨斜拉桥结构健康监测与安全评价系统的一部分,用于传感器测点的选择、识别结构关键构件.模型的构建根据最终设计构造并以独立的结构构件为分析单元,是一个完整的有限元模型,可以精确模拟结构的刚度、几何构形和质量分布等特性.模型中采用空间梁单元模拟塔柱、斜拉索和桩,采用空间壳单元和梁单元拼装钢箱梁.考虑到桥梁跨度很大,因此考虑了拉索的垂度效应和初应力对拉索刚度的影响,采用Ernst公式对拉索弹模进行折减.模型也考虑了下部群桩基础对上部结构的影响,土的作用以桩基侧面的土弹簧模拟.由于模型误差、参数误差的存在,模型计算值与实测值通常有一定偏差,因此初步模型必须要进行修正.由于大桥尚未建成,因此完全的模型修正尚不可行,本次仅对其进行了初步校核修正.初步修正后的模型为初步确定出健康监测方案提供了依据.     

核电厂钢筋混凝土结构基于双尺度结构分析的设计方法初探

核电厂构筑物的钢筋混凝土结构以长墙、异形板为主,在结构有限元分析中以壳单元模拟,所得结果为单元的内力,但现行的设计沿用民用建筑中基于墙或板构件的整体内力进行结构设计的方法,结构效应和抗力所面对的对象并不匹配。基于宏观和细观双尺度结构分析的设计方法,首先利用标准大小的壳单元(如1 m×1 m)进行宏观尺度的整体结构分析,提取单元内力或位移;再对单元建立参数化的精细模型,混凝土采用实体单元,钢筋采用线单元,钢筋与混凝土之间通过非线性切向弹簧模拟黏结滑移关系,施加整体分析所得的单元内力或位移作为荷载-位移边界条件,进行细观非线性分析,基于混凝土材料的拉应变、钢筋的拉应变以及弹簧力作为指标,分别识别单元体的损伤状态,进而验算整体结构的安全性。通过对某核电厂厂房在500年一遇的基准地震工况(OBE地震工况)下的局部外墙构件进行双尺度设计方法验证,基于混凝土材料的拉压损伤指标识别单元体的损伤状态,进而验算这一外墙构件的整体安全性。     

ABAQUS钢与混凝土复合材料模型的二次开发

为了找出结构的薄弱位置,往往需要对各种复杂的建筑结构进行整体结构层次上的弹塑性数值模拟。为提高建模以及数值计算效率,需要采用梁单元计算模型模拟钢筋、钢骨以及钢管混凝土梁柱等复杂的构件。在混凝土弹塑性损伤模型的基础上,基于ABAQUS平台开发了能够描述以上复杂梁柱构件力学行为的梁单元复合材料模型。模型的提出使整体结构的弹塑性数值计算可以采用较为简单的梁单元和板壳单元模拟,提高了超高层建筑结构整体弹塑性分析的效率。     

弹簧阻尼支座对体育场钢结构抗连续倒塌的减振分析

阐述了弹簧阻尼支座减振原理,给出了其构造形式,介绍了拆除构件法中采用非线性动力分析方法的计算原理,以第三届亚洲青年运动会体育场钢结构屋盖作为研究对象,对拉杆系统连续失效情况下结构的响应进行分析,研究弹簧阻尼支座对结构抗连续倒塌性能的影响。结果表明:体育场钢结构屋盖的抗连续倒塌能力良好,拉杆系统连续失效结构悬挑端最大竖向位移为387 mm,挠度为1/90,不会导致结构整体倒塌; 构件拆除后,结构立即进入运动状态,结构动能、应变能、悬挑端竖向位移、支座腹杆应力均在拆除瞬间陡增,达到峰值后逐步减小,并随时间增加反复振荡,最后趋于稳定,结构重新达到稳定平衡; 采用非线性动力方法计算的悬挑端竖向位移、关键杆件应力略大于静力分析方法,偏于安全; 弹簧阻尼支座能有效减小结构动力响应,提高结构防连续倒塌能力,其减振效果受弹簧和阻尼共同影响; 当结构采用了弹簧阻尼支座等消能部件时,对结构进行抗连续倒塌分析时应采用非线性动力分析方法考虑消能部件的有利影响。     

基于三维弹簧联结模型的装配式叠合梁受力性能数值模拟研究

以预制装配式结构数值模拟方法为基础,结合弹性力学有限元法的基本理论原理,采用ANSYS软件中线弹性弹簧单元COMBIN14组成的三维联结单元模拟预制-现浇混凝土叠合面的相互作用,形成叠合梁三维弹簧联结模型,并对国内三位学者试验叠合梁试件的受力性能进行非线性有限元数值模拟,分析结果表明:构件变形、极限荷载、箍筋应变等内容与试验情况相同,满足计算精度要求,采用三维弹簧单元有限元理论而建立的钢筋混凝土叠合梁数值模拟方法是合理可行的,该方法为后期用有限元分析预制装配式结构受力性能提供了一种可靠途径。     

半组合结构压弯构件滞回试验的有限元模拟

基于按结构材料力学功能建立离散化单元的思想,将混凝土离散为各向的弹塑性弹簧单元,建立了半组合结构柱的有限元模型。通过有限元软件ANSYS对6个半组合结构压弯构件进行了反复荷载作用下的滞回性能非线性分析,得到了其荷载一位移曲线,并与试验结果进行了对比。结果表明：由有限元模型得到的滞回曲线与试验曲线相似,模拟效果良好;该有限元模型能模拟构件的弹塑性行为和抗震性能,建模简单,结果可信,计算效率高,可用于构件滞回性能的参数分析。     

“扬帆泰达”雕塑钢结构多尺度有限元分析

基于多尺度建模技术,在有限元分析软件中实现了局部细化模型和整体宏观模型的连接,将整体结构中受力复杂的关键节点用高阶单元建立,其余部分结构采用经典梁单元模型;利用ANSYS有限元软件中的多点约束方程连接梁单元与壳单元,对比研究了传统梁单元模型与多尺度有限元模型在自重与风荷载作用下的计算结果,表明梁单元可近似模拟整体结构的力学性能,但不能精确模拟整体结构中受力复杂区域的受力状态,对整体结构的关键构件应基于多尺度建模技术采用高阶单元建立模型;此外,还分别对梁单元模型及多尺度模型进行了模态分析,得到了高阶单元的引入对整体结构刚度的影响特征。研究表明:多尺度建模方法能够有效地应用于复杂结构的整体分析中,可在计算精度和计算代价中寻求较好的平衡点。     

伊通加气混凝土砌体的轴心及偏心受压构件试验研究及有限元分析

采用ABAQUS有限元软件建立全实体单元模型,对10片用伊通加气混凝土砌块砌体构件的轴心受压和偏心受压进行建模计算,得到不同受压状态下伊通加气混凝土砌体构件的破坏荷载;对比试验结果,探求纵向弯曲和偏心距对构件的极限承载力的影响。     

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     

两层预制板砖砌体结构房屋模型双向拟动力试验研究

对一栋缩尺为1∶2的两层单开间预制板砖砌体结构房屋模型进行不同强度地震作用下的双向拟动力试验和非线性地震响应分析,研究该结构在地震作用下的破坏机制、变形、滞回特性及耗能能力等。结果表明：构造柱与圈梁的存在,使得预制板砌体结构具有较好的延性,地震破坏主要集中在底层,即使墙体严重开裂,也不至于整体结构垮塌;双向地震作用下一个方向的承载力与刚度退化会加剧另一个方向承载力与刚度的退化,从而导致砌体结构整体抗震能力的下降;滞回曲线由弓形最后发展到反S形,具有明显的捏缩和滑移效应;建立的砌体结构非线性空间有限元模型,能够反映预制板砌体结构的弹塑性地震响应,计算结果与实测结果基本吻合;两层砌体结构房屋能够满足设计规范的抗震要求。     

砌体结构地震破坏程度的估计研究

砌体结构房屋的设计表现为建筑布置决定结构墙体的数量及面积。在地震作用下,基底剪力由地震方向的墙体承担,墙体数量越多,墙体面积越大,房屋抗震能力就越强,墙体面积对砌体结构抗震研究有着至关重要的影响。研究这一问题的主要途径之一就是从地震震害中找出墙体面积与结构破坏之间的规律,通过对2008年汶川地震中大量震损房屋震害的分析,研究了墙体面积与结构破坏程度之间的关系,以及在现有砌体结构抗震性能评估理论的基础上,提出了一个基于墙体面积大小的指标来估计砌体结构的在地震下的破坏程度。将该指标应用于一幢多层砌体结构房屋的抗震性能评估中,并通过与现场震害的对比说明了该指标的合理性,结果表明,该评估指标可以用于估计砌体结构的破坏程度。     

基于性能的多层砌体结构地震易损性分析

为评估不同年代多层砖房的抗震性能,根据构造柱设置情况将多层砌体结构分为5个抗震措施类别,以静力非线性方法为基础,并利用层间位移角作为衡量不同破坏状态的量化指标,提出基于性能的多层砌体结构地震易损性分析方法.为考虑地震动的随机性和结构的随机性,采用蒙特卡洛法生成200万个结构-地震动随机样本并对其进行分析,建立多层砌体结...     

无筋砌体结构多层住宅振动台试验与抗震性能评估

目前,我国城镇大量砌体结构老旧多层住宅面临抗震加固、功能提升等需求。为研究该类结构的抗震性能,进行一个5层无筋砌体结构模型的模拟地震振动台试验,测试分析了7度多遇地震、设防地震、罕遇地震作用下的裂缝损伤发展状况以及楼层加速度、位移、自振频率、阻尼等变化规律。同时,进行非线性有限元分析,并用基于抗震鉴定标准、基于承载能力、基于位移和延性等不同方法,评估了试验模型对应原型结构的抗震性能。结果表明：试验模型纵向在7度多遇地震、设防地震、罕遇地震作用下分别处于完好、轻微破坏和局部倒塌状态,不满足GB 50023—2009《建筑抗震鉴定标准》中对7度区A类建筑的抗震性能目标要求;罕遇地震作用下无筋砌体结构多发生薄弱层屈服破坏,整体结构延性很差,保证抗震墙面积率或楼层屈服强度系数是实现无筋砌体结构在罕遇地震作用下抗震性能目标的主要技术措施;采用基于位移的抗震性能评估方法可以客观地反映无筋砌体结构抗震性能随高宽比增大而降低的规律。     

底部框剪砌体房屋抗震性能的试验研究

对底部两层框架—砖抗震墙、上部三层砖房 ,底层框架—砖抗震墙、上部四层砖房及底部两层框架—混凝土抗震墙、上部五层砖房 (三榀 ) 1 6比例模型进行了模拟地震振动台试验 ;分析了结构在水平地震作用下的力学性能 ,包括受力特点、变形特征、破坏形态等 ,以及结构在不同受力阶段的动力特性变化规律、地震反应分布规律 ,结构的抗震能力、薄弱层和薄弱部位 ;提出了结构弹塑性动力分析的力学模型和方法 ,尤其框剪层和砖砌体层的恢复力特性计算模型及其特征点的计算公式 ;最后对三种房屋的模型和原型结构进行了弹塑性地震反应分析 ,并在与试验结果对比的基础上 ,提出了抗震设计建议 ,为底部框剪上部砌体房屋的抗震设计与动力分析提供了依据与方法。     

砌体结构抗震评估研究

构造柱、圈梁和现浇楼板可增强砌体结构的整体性,是砌体结构的主要抗震构造措施,为反映砌体结构整体性的抗震作用,分析构造柱、圈梁和现浇楼板对结构整体性的影响,提出结构整体性系数的计算方法。基于汶川地震中大量多层砖砌体结构房屋震害的分析,建议了考虑砖砌体结构整体性系数和承载力指标的震害程度指标,它可作为结构抗震能力指标之一。建立了不同地震烈度下震害程度指标与结构破坏程度间的定量关系,根据上述的定量关系,获得震害程度判断值,分析烈度和破坏程度的变化对震害程度判断值的影响。最后进行多幢多层砖砌体结构房屋墙体破坏程度评估的分析与验证,结果表明：采用震害程度指标及震害程度判断值可以准确评估结构不同方向的墙体破坏程度,实现对砌体结构的抗震评估。     

碳纤维板嵌缝加固砖墙抗震性能试验研究

粘贴碳纤维片材加固砌体结构可以有效提高其抗震性能,但并不适用于建筑立面有要求的古建砌体结构。为此,采用碳纤维板嵌缝加固砌体墙,即在墙体表面剔除既有水平灰缝内的部分砂浆,通过结构胶将碳纤维板嵌入砌体墙内,使墙体、结构胶、碳纤维板黏结成为整体。该方法既不改变墙体的外观现状,又可以有效提高砌体墙的抗震性能。为研究这种方法对砌体结构的加固效果,通过3片墙体的低周往复荷载试验,对比研究了单面和双面碳纤维板材嵌缝加固砌体砖墙的抗震性能。试验结果表明：碳纤维板材嵌缝加固可以改变墙体的破坏模式,使墙体的破坏模式由脆性的剪切破坏转为延性较好的弯剪破坏或者弯曲破坏,显著提高墙体的承载能力、变形能力、延性和耗能能力;与未加固墙体相比,单面加固和双面加固墙体的位移延性系数分别提高了3.94%和25.81%,双面加固墙体的延性提高幅度更大;与单面加固墙体相比,双面加固墙体的滞回曲线更加饱满,耗能能力更强。     

砌体结构开裂过程细观损伤数值模型及其分析方法

考虑材料的非均匀性特点,基于损伤力学和弹性脆性理论,提出了块体结构开裂过程数值分析方法,采用复合材料破裂过程数值分析(MFPA2D)模型,从细观力学层次上模拟了砌体结构试件局部荷载下从损伤到开裂破坏的全过程,数值模拟结果与试验结果较为吻合。验证了该理论分析方法的正确性和模型的合理性,对于理解砌体结构开裂的非线性过程、结构可靠性分析等具有重要意义。同时为砌体结构的破坏与失稳预测预报基础理论的研究提供新的分析方法。     

罕遇与设防烈度地震作用下规则多层砌体结构的抗震计算实用方法

以砌体平均抗剪强度公式和理想弹塑性模型为基础，建立了砌体结构楼层屈服强度系数的计算公式，同时考虑了抗震措施的影响，实现了单片墙肢设计强度计算向楼层屈服强度计算的转换。根据Dwairi等提出的以窄Takeda滞回模型为基础的有效阻尼计算公式，并考虑砌体结构的基本周期和延性特征对其进行适当简化，建立了采用结构整体位移延性系数表达的砌体结构阻尼折减系数公式。根据剪切型薄弱层屈服机制的特征，建立了砌体结构层间位移延性系数与整体位移延性系数的关系。据此，可根据不同性能目标和抗震措施下的层间位移延性系数直接计算阻尼折减系数。通过楼层屈服强度系数与阻尼折减系数的比较，实现罕遇地震与设防烈度地震作用下规则多层砌体结构的抗震计算。分析表明，所提方法简便实用，分析结果合理可靠，可用于基于性能的规则多层砌体结构抗震分析。     

多层砌体填充墙框架结构抗震性能试验研究

为了研究砌体填充墙沿框架层不连续布置对框架结构抗震性能的影响,进行了3榀两层单跨砌体填充墙框架结构模型、1榀单层单跨砌体填充墙框架结构模型、1榀两层单跨框架结构模型和1榀单层单跨框架结构模型的对比试验,分析了各试件的破坏特征、滞回曲线、骨架曲线、位移延性、刚度退化、承载力退化和耗能性能等抗震性能指标。结果表明：无论是单层单跨还是两层单跨的砌体填充墙框架结构,其水平峰值荷载和初始刚度比相应的纯框架结构均有较大幅度的提高,且其刚度退化程度比相应纯框架结构要缓慢;砌体填充墙的存在提高了框架结构的抗侧刚度和水平峰值荷载,使框架结构的变形由剪切型逐渐转变为弯剪型;砌体填充墙参与了结构的滞回耗能,填充墙框架的位移延性和累积耗能能力明显优于框架;砌体填充墙沿框架层不连续布置会引起框架结构层间侧移刚度和层间受剪承载力发生突变,影响框架结构的破坏形态,但由于砌体填充墙参与了框架结构的滞回耗能,故其仍具有较好的抗震性能。