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     

混凝土结构抗连续倒塌研究综述

连续倒塌是整体结构系统的复杂力学行为,涉及极端荷载的不确定性、结构行为的强动力非线性和承载机制的超大变形特征。为了更好地应用已有抗连续倒塌研究成果,分别对国内外影响较大的混凝土结构抗连续倒塌的试验、数值和理论研究结果进行了梳理。结果表明:已有试验研究主要集中于框架结构和板柱结构,对剪力墙结构、框剪结构等其他类型结构研究明显偏少,主要抗力机制的理论计算模型过于复杂,不利于工程应用,已有数值研究不能准确考虑大变形下钢筋黏结滑移失效、钢筋断裂和混凝土软化、破碎,准确性有待提高; 现有研究基本没有考虑多灾害耦合作用的不利影响,导致研究结论不准确,不利于指导设计; 未来需要进一步研究动力倒塌失效规律、不同类型结构的连续倒塌、整体结构系统连续倒塌规律、灾害相关的连续倒塌机理、面向多灾害防御的抗连续倒塌体系、面向工程的抗连续倒塌设计方法、高效连续倒塌数值分析模型等。     

我国工程结构防连续倒塌研究:回顾与展望

工程结构在偶然极端荷载(如火灾、撞击、爆炸等)的作用下可能会由于局部破坏而引起整体结构的连续倒塌,造成严重的人民生命财产损失以及恶劣的社会影响,结构连续倒塌问题在世界范围内引起了广泛重视。21世纪以来,随着越来越多的专家学者开始关注工程结构的连续倒塌问题,相关研究工作也被陆续开展,并对不同类型结构的连续倒塌失效机理、性能评价及设计方法等方面均进行了深入研究。通过调研21世纪以来国内专家学者在工程结构防连续倒塌领域取得的研究成果,回顾了我国学者在试验研究、数值模拟、理论研究、及工程结构防连续倒塌实践等多方面的贡献及代表性研究成果,分析并归纳了我国目前在结构防连续倒塌领域的科学研究和工程应用现状,最后提出了对我国未来工程结构防连续倒塌研究的展望。     

木结构连续倒塌研究现状

木结构存在着耐火性和稳定性差等结构安全问题,同时对于木结构的抗连续倒塌问题也应在设计中进行考虑。结合已有的成果,对木结构连续倒塌的案例、当前所用的理论、试验、数值模拟及设计方法作出总结评述。通过对几个具有代表性案例的分析,总结了其倒塌的原因和经验教训;从理论方面讨论了木结构自身冗余、鲁棒性、木材延性与抗连续倒塌的关系;从试验研究上,介绍国外的木结构抗连续倒塌试验结果;从设计标准数值模拟方面,从木结构的有限元模拟和离散元模拟两方面展开讨论;从设计方法方面,结合标准从目前4种设计方法进行论述。最后对木结构连续倒塌的发展趋势进行了展望。     

大跨度单层空间网格结构抗连续性倒塌分析

大跨度单层空间网格结构冗余度小,对缺陷比较敏感,施工效应的影响大,某些关键杆件的失效极易引起结构连续性倒塌。基于能量平衡原理,考虑构件失效前结构的已有变形,建立了空间网格结构及构件的能量平衡方程,推导出结构抗力与构件抗力的关系式。根据单层空间网格结构的失效模式,构建结构抗连续性倒塌的子结构模型,分析大跨度单层空间网格结构的抗连续性倒塌机制,即梁机制、拉结机制、梁-拉结相关机制以及压杆机制,提出了相应机制下抗力需求的理论计算方法和抗力-位移曲线,并通过数值算例分析验证了所提方法的正确性。此外,对备用荷载路径法进行了修正,提出用于抗连续性倒塌分析的考虑施工效应的等效荷载卸载法,将该方法通过算例进行验证后应用于世界大学生运动会主体育场结构的抗倒塌分析中,结果表明该方法更加接近实际,结果更为可靠。单层空间网格结构的抗倒塌机制在杆件失效后的内力重分布过程中发挥重要作用,世界大学生运动会主体育场结构具有较好的抗连续性倒塌性能。     

建筑结构连续倒塌的数值模拟方法对比研究

建筑结构连续倒塌,是一类由偶然作用引起,可能造成重大生命财产损失的结构安全事故。针对建筑结构连续倒塌的数值模拟问题,本文分析了结构倒塌过程中面临的力学计算难点,对比研究了常用的数值模拟方法,并介绍了作者提出的质点元法。     

ABAQUS在结构连续倒塌数值模拟中的应用

以某超限高层结构为例,基于ABAQUS/Explicit方法对结构在地震作用下连续倒塌的数值模拟方法进行了研究,开发了适用于模拟倒塌分析中纤维梁单元的混凝土和钢筋/钢材材料子程序。基于混凝土损伤模型实现模拟墙板壳单元的刚度退化,通过截面点"生死"模拟纤维梁单元失效,并同时考虑倒塌过程中单元的碰撞接触。通过不同幅值的强震记录对结构进行了连续倒塌模拟,从纤维梁单元应力-应变时程曲线、结构整体响应和倒塌过程等方面对结构倒塌性能进行了分析和评估,验证了模拟方法的合理性,为结构进一步的性能设计提供了依据,并为相关研究提供参考和思路。     

山洪作用对砌体结构倒塌破坏的分析

结构连续倒塌已成为严重威胁公共安全的重要问题,随着计算机水平的不断提高,数值模拟成为研究结构倒塌的主要手段.本文采用动力学分析软件LS-DYNA对砌体结构房屋在山洪作用下的破坏进行了数值模拟.从结构整体变形、关键点位移、速度和系统能量出发认识结构破坏机理.得出构造柱的延性对抵抗倒塌很重要.     

空间管桁架结构连续倒塌试验研究

为揭示空间管桁架结构的连续倒塌破坏机理,对空间管桁架结构平面体系进行了连续倒塌动力试验研究。试验设计了杆件失效激发装置,模拟了桁架杆件的初始破坏,通过对剩余结构杆件应变和节点位移的测量,以考察剩余结构的动力响应。试验结果与数值模拟分析结果的比较说明,基于OpenSees程序的连续倒塌数值模拟分析能够较好地模拟初始局部破坏后剩余结构的动力响应。试验结果表明,下弦杆初始破坏后,结构发生转动铰机制下内力重分布,易引起较大的竖向变形及杆件内力变化,对结构的抗连续倒塌性能产生不利影响;且桁架弦杆对接焊缝的质量显著影响了结构的抗连续倒塌能力。     

工程结构连续倒塌破坏及性能提升技术研究现状

工程结构局部破坏引起整体失效的连续倒塌会造成严重的社会危害,且连续倒塌问题的不确定性使得整个结构的临界状态异常复杂。已有众多学者对工程结构连续倒塌问题展开大量研究,笔者对国内外工程结构连续倒塌性能的试验研究、数值模拟和理论分析成果进行了总结,包括:归纳了不同结构形式如钢筋混凝土框架结构、板柱结构、组合结构和预制装配式结构的连续倒塌机理、影响因素、理论分析等方面的主要研究; 总结了梁柱和梁板结构受力全过程计算模型等倒塌抗力计算模型的理论研究现状,指出了目前计算模型的不足; 总结了采用加固方式提升抗连续倒塌性能的方法,并且从增强抗弯性能、压拱效应、悬链线效应、拉压膜效应以及改变受力体系方面分析不同加固方式对连续倒塌破坏机制的影响。在现有研究的基础上分析了目前研究的不足以及对后续研究方向进行了展望。     

建筑结构抗连续性倒塌研究进展与发展趋势

偶然荷载作用下结构可能会发生局部破坏而引起大范围或整体结构的连续性倒塌,建筑结构的连续性倒塌已经成为严重威胁公共安全的重要问题和土木工程学科的前沿课题.2001年美国"9·11"世贸大楼倒塌事件后,国内外学者聚焦结构抗连续性倒塌研究,对不同类型结构的倒塌机理、鲁棒性评价及设计方法等进行了深入研究,取得了诸多代表性的成果...     

大跨空间轮辐式弦支桁架结构施工过程监测与模拟分析

大跨空间轮辐式弦支桁架结构施工过程复杂,不同施工方案及阶段结构刚度和荷载变化对结构安全影响不容忽视,但目前国内外对大跨空间结构多进行施工成型后的静力分析,缺乏对复杂结构施工过程中的受力监测与分析。为研究西安某体育馆大跨空间轮辐式弦支桁架结构在不同施工阶段的受力与变形性能,采用有限元程序MIDAS/Gen模拟该大跨空间结构旋转累积滑移施工过程的8个不同阶段,对辐射状倒三角桁架、加强桁架及“Y”型格构柱三类关键构件的应力与位移进行了仿真分析,并与实际监测数据进行对比。结果表明:数值仿真模拟结果与施工实际监测数据吻合较好,验证了数值仿真模拟的可行性; 通过预测不同施工阶段结构应力变化及最不利危险施工节点,可为施工阶段健康监测系统的分区建立及关键节点布测提供思路与依据,具有实际工程意义; 大跨空间轮辐式弦支桁架结构在不同施工阶段的内力变化较大,最大竖向位移常发生于桁架中间部位的下弦,为保证施工阶段安全性,应对外环桁架竖向腹杆、中心环桁架腹杆及上弦等关键节点进行重点监测及预警,避免施工阶段构件受损,保障施工安全。     

Collapse fragility assessment of steel roof framings with force limiting devices under transient wind loading

Steel structural frame is a popular structural form to cover large-span roof space and under high winds. Either part of the roof enclosure or the entire roof structure can be lifted off a building, particularly for low sloped roofs subject to wind-induced suction force. Collapse of roof could cause severe economic loss and poses safety risk to residents in the building. The buckling of members in a steel roof frame structure, which may lead to progressive collapse, may be dynamic in nature. This paper presents a fragility analysis of the collapse of steel roof frame structures under combined static and transient wind loading. Uncertainties associated with wind load change rate and member imperfections are taken into account in this study. A numerical example based on a Steel Joist Institute (SJI) K series joist was used to demonstrate the use of force limiting devices for collapse risk mitigation. For the presented fragility assessment of steel roof collapse, a Monte Carlo method combined with response surface approach was adopted, which greatly reduces the computation time and makes the Monte Carlo simulation feasible for probabilistic collapse analysis of steel roof frame structures.     

Assessment of the Progressive Collapse Resistance of Double-Layer Grid Space Structures Using Implicit and Explicit Methods

A double-layer grid space structure is a conventional long span structure used where large column-free areas are required. Due to its’ large indeterminacy and the redundancy of its structural configuration, it is normally considered in design practice, that progressive collapse will not be triggered when the loss of an individual member occurs. However, research and several prior accidents have shown that progressive collapse could occur following the loss of some critical members when the structures are subject to abnormal loading such as heavy snow. To investigate the structural behavior of this type of structure, a 3D finite element model of a double-layer space structure grid was built by the authors, several collapse scenarios have been investigated using an implicit method which follows the alternative path method defined in GSA. In addition, case studies have been made using the explicit method which is to simulate the whole process of the structural collapse. In the analysis, different members failure or support collapses were studied. The response of the structure was investigated and the correspondent potential of progressive collapse was discussed in detail. Methods to mitigate the progressive collapse of this type of space structure have also been recommended.     

空间网架结构的连续倒塌分析

在偶然荷载作用下,结构的局部构件可能发生初始破坏从而导致结构的连续性倒塌。文章基于有限元软件LSDYNA,采用变换荷载路径法对空间网架结构破坏后的倒塌进行了力学分析和仿真,并且分析讨论了结构的关键构件。模拟结果表明增大关键构件的截面及提高材料的失效应变,可显著提高空间网架结构的抗连续倒塌能力,将有可能避免结构倒塌。     

装配式混凝土框架结构防连续倒塌研究中的几个问题

探讨了装配式混凝土框架结构防连续倒塌研究中几个值得关注的问题;强调了防连续倒塌子结构受力机制的复合与机制转移的全受力过程、楼板和空间受力对受力机制的影响;指出结构防连续倒塌设计相关的国内外规范在设计方法、界定倒塌范围、荷载组合、验收标准等方面均存在一定的差异。结果表明:装配式混凝土框架结构与现浇混凝土结构的以下差异值得注意,主要包括初始缺陷、节点/连接与结构体系的关联性、“等同现浇”的内涵与困惑、现有设计方法的适用性;装配式混凝土框架结构的防连续倒塌研究内容和重点应在整体稳固性分析与量化指标、节点和子结构试验、数值模拟与参数分析、设计方法等方面。这些问题的阐述可为装配式混凝土框架结构研究和设计提供一定参考。     

The influence of joints and composite floor slabs on effective tying of steel structures in preventing progressive collapse

The event of the terrorist attack on 11th September 2001 in the USA has attracted increasing attention of researchers and engineers on progressive collapse of structures. It has gradually become a general practice for engineers to consider progressive collapse resistance in their design. In this paper, progressive collapse of steel frames with composite floor slabs is simulated by the finite element method. The numerical results are compared with test results. The influence of the joints and the concrete slabs on the effective tying of steel beams is investigated through parametric studies. From the analysis, methods of preventing progressive collapse that can be considered in design and when retrofitting existing structures are proposed. The results show that retrofitting a structure with pre-stressed steel cables and an increase of crack resistance in the concrete near joints can effectively improve effective tying of a structure, which results in an enhanced structural capacity in preventing progressive collapse.