某框支砌体结构火灾倒塌事故的模拟与分析

火灾下建筑结构的倒塌是整体结构系统的力学行为。由于整体结构火灾试验难度较大, 数值模拟是研究整体结构火灾行为的重要手段。该文采用考虑高温作用的纤维梁和分层壳模型以及生死单元技术, 对一实际框支砌体结构的火灾倒塌事故进行了分析, 模拟了整体结构在火灾作用下的倒塌过程, 指出了引起结构火灾倒塌的关键原因, 并根据数值分析结果对火灾下抗连续倒塌设计提出了改进建议。     

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。     

考虑应变率效应的钢筋混凝土结构非线性地震灾变过程模拟

为研究应变率对钢筋混凝土结构非线性地震灾变过程的影响,采用钢筋、混凝土单轴动态本构关系及加卸载准则,基于纤维梁理论开发了ABAQUS显式动力分析材料子程序。通过对3层偏心钢筋混凝土框-剪结构振动台试验的数值模拟,验证了该程序用于钢筋混凝土结构非线性地震反应分析的准确性和有效性。通过在材料子程序中定义钢筋、混凝土材料失效破坏判别准则,实现了地震作用下考虑应变率效应的钢筋混凝土结构连续倒塌破坏全过程模拟。分别对振动台试验模型结构和钢筋混凝土框架结构的倒塌破坏模式进行了预测,初步探讨了应变率对钢筋混凝土结构地震反应与连续倒塌破坏过程的影响。结果表明:该程序能够准确模拟钢筋混凝土结构的非线性地震灾变过程,可用于考虑材料应变率效应的钢筋混凝土结构抗震设计与分析中。     

基于宏观单元的结构非线性分析方法、算例及工程应用

罕遇地震作用下结构和构件进入塑性阶段而会发生弹塑性损伤,正确的模拟结构进入非线性状态后的力学行为对评价结构的抗震安全性具有重要的意义。该文采用纤维单元及多弹簧单元等宏观单元对CFRP混凝土构件、预应力混凝土梁及剪力墙进行构件弹塑性分析,并与试验结果进行对比,表明宏观单元对混凝土构件弹塑性模拟的适用性。该文对采用纤维单元对足尺钢框架振动台试验进行数值分析,表明经过构件层次的力学行为校对后的纤维单元模型能准确预测结构在大震作用下的响应及倒塌前的破坏行为。通过大量算例结果和试验结果对比,说明基于宏观单元的非线性分析方法可以准确模拟整体结构与构件的非线性行为。最后通过两个工程实例说明了宏观单元可以应用于复杂工程整体结构非线性分析中,具有实际工程应用意义。     

考虑累积损伤退化及应变率效应的钢筋混凝土框架结构倒塌分析

该文研究考虑累积损伤导致强度和刚度退化及应变率效应的钢筋混凝土框架结构倒塌过程,基于有限元软件ABAQUS平台,开发了相应的显式分析梁单元用户材料子程序,并对钢筋混凝土柱的动态和静态加载试验进行模拟,对比验证了所开发程序的准确性。采用增量动力时程分析法,研究了多维地震输入下某六层框架结构的倒塌过程,对结构的顶点位移、层间位移、基底剪力进行分析。研究结果表明:考虑应变率效应,构件的承载力有一定的提高,但同时退化效应更加显著,因此地震作用下的结构分析应予以考虑率效应及退化效应;通过定义构件损伤和层损伤,可以明显确定结构的薄弱层及破坏路径,模拟在地震作用下的结构倒塌过程,并揭示结构的倒塌机理,对抗倒塌分析提供一定参考。     

基于新型大变形平板壳单元的剪力墙模型及其在OpenSees中的应用

数值模拟是研究超高层建筑地震灾变行为的重要手段。地震作用下,剪力墙作为超高层结构的重要抗侧力构件往往呈现出复杂的受力状态,甚至因结构倒塌而产生大变形破坏,因此有必要开发一个能准确考虑大变形的剪力墙单元。该文基于广义协调元理论和更新Lagrangian列式,提出了一种高性能四边形平板壳单元及其几何非线性列式,并将该模型集成于开源有限元程序OpenSees中,以经典算例验证了该单元的性能和应用于大变形计算的可靠性。通过将该单元与分层壳截面结合,该文对多种类型的剪力墙构件进行了模拟,并将模拟结果与试验结果进行对比,验证了该单元能较好的模拟剪力墙的复杂受力特性,且能有效模拟钢筋混凝土构件倒塌的关键特性,为进一步开展基于OpenSees的超高层结构地震灾变行为研究提供参考。     

钢筋混凝土框架结构地震破坏模拟研究

基于国内外对钢筋混凝土构件的非线性地震反应分析和破坏过程的研究,借助动力分析软件LSDYNA,针对目前直接法建立钢筋混凝土模型较为复杂的问题,采用间接法便捷地建立了分离式共节点模型;并选用汶川地震中某次余震所监测的水平方向的地震波数据作为加载波,对某典型五层框架结构受震破坏进行了有限元模拟;探讨了结构在受震破坏过程中不同构件的破坏特征及结构的整体破坏倒塌过程,得出了与实际震害情况比较符合的结果。     

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。     

混凝土框架结构火灾连续倒塌数值分析模型

连续倒塌是整体结构的力学行为,为了研究火灾作用下混凝土框架结构整体抗倒塌性能,建立了用于分析钢筋混凝土构件火灾反应的杆系纤维梁模型和板构件的分层壳模型。在构件层次,模型将各积分点的截面划分为若干纤维(层),纤维(层)被赋予不同的材料属性以考虑钢筋和混凝土的贡献,并通过平截面假定来定义构件变形和纤维(层)应变之间的协调关系;在材料层次,模型将温度-应力路径离散为若干加载步,然后在每个加载步内计算纤维(层)在温度和应力耦合作用下的各种应变分量。通过与一系列试验对比,说明了该模型在模拟混凝土梁、柱和楼板时的准确性和高效性。为了模拟整体结构倒塌过程中的不连续位移场,在模型中引入了构件破坏准则和单元生死技术,可以考虑构件破坏造成的内力重分布对整体结构力学响应的影响。最后,通过一个整体框架结构的火灾倒塌模拟,分析其连续倒塌过程和机理。     

强震下钢框架结构易损性分析及优化设计

该文建立了一种考虑结构地震反应滞回变形幅值对累积耗能损伤影响的双参数损伤模型,提出了一种基于易损性分析的评估钢结构在地震作用下损伤程度的方法,该方法以结构最大层间位移角作为评价结构整体能力的参数指标。以一个9层Benchmark钢结构为例,针对其在强震中的反应特征,对其薄弱层进行了优化设计,建立其优化前后的理论易损性曲线,对其在不同强度地震作用下的破坏状态进行评估。基于倒塌储备系数对优化前后结构的抗倒塌性能进行分析,结果表明:所提出的损伤评估方法能较准确地评估钢结构在强震作用下的损伤程度,优化设计后结构的抗倒塌能力显著提高。     

高架桥爆破拆除倒塌过程数值模拟研究

采用数值模拟方法对建筑物倒塌过程的研究不仅可以体现倒塌过程的力学本质,而且还可对倒塌过程进行结果预测或对建筑物的倒塌过程进行再现,反映建筑物的倒塌破坏规律.以某高架桥为例,分析和探讨了拆除爆破中高架桥倒塌数值模型的建立方法,采用有限元软件LS-DYNA对高架桥的倒塌过程及桥体解体破碎情况进行了数值模拟,为有限元法在高架桥结构爆破拆除数值模拟中的实际应用提供理论依据和技术支持.     

基于随机IDA的结构量化指标限值求解方法

该文基于数值模拟以5层、8层和12层钢筋混凝土框架结构为研究对象,对各结构进行了20条地震动作用下的随机增量动力分析,采用基于性能的抗震设计理论,提出了一种确定结构屈服和倒塌水平能力限值的方法。基于该方法,得到了各结构模型屈服和倒塌破坏水平的地震易损性曲线。分析结果表明,结构的屈服和倒塌能力限值可以由相应易损性曲线上95%置信水平下的具有5%屈服和倒塌概率时的限值求出;通过对比各结构屈服和倒塌的易损性曲线,揭示出结构层数的变化对易损性曲线的影响。     

马场坪收费站汽车爆炸破坏的数值模拟分析

应用LS-DYNA有限元程序建立马场坪收费站在汽车爆炸作用下的数值计算模型,对空间网架结构在爆炸作用下的冲击波超压、破坏过程和破坏模式进行了数值模拟计算。提取网架结构内表面有限测点的爆炸冲击波超压并将其进行本征正交分解（POD）,得到冲击波压力场的显性表达和主本征模态。对模拟计算结果与收费站实际破坏情况进行比较分析,揭示了空间网架结构的爆炸破坏机理和原因。数值结果表明,LS-DYNA非线性有限元模型与POD法的结合,能够准确地模拟空间网架结构在爆炸作用下的破坏过程和模式,充分泄爆可以防止空间网架结构在爆炸作用下的破坏倒塌,避免人员损伤。提出在空间网架结构的抗爆和防爆设计中,应采取“强结构弱围护”的设计原则。     

考虑主子结构动力相互作用的变电站抗震性能分析

为研究存在复杂体型和较大质量的电气设备的变电站结构抗震性能,进行了1:8的缩尺模型振动台试验,获得了结构体系在地震作用下考虑主子结构动力相互作用的整体抗震性能与结构破坏模式,同时建立了有限元数值模型对比分析试验结果。结果表明:①振动台试验模型的动力特性和地震响应结果与有限元数值模拟分析结果相一致,验证了考虑主子结构动力相互作用数值模拟模型的正确性;②带有复杂设备的变电站结构在地震作用下破坏形态与常规结构不同,电气设备的存在导致其支撑框架柱破坏现象明显,抗震设计时应采取适当的措施避免结构发生"强梁弱柱"失效模式;③大震作用下设备和结构相互作用明显,在依据抗震设计规范进行剪力计算时,应采用规范计算值的1.2倍;④电气设备的动力放大系数均大于所在楼层的动力放大系数值,其比值在1.2～1.4,超过了相应规范规定的数值,应予以重视。该变电站振动台试验与有限元模拟分析对类似生命线工程及带有复杂设备的工业建筑的抗震设计具有重要借鉴意义和参考价值。     

外廊式RC框架破坏机理的振动台试验研究

通过地震现场调查,对汶川地震中大量倒塌的外廊式钢筋混凝土框架结构的破坏特点、倒塌方向及堆积情况进行了总结。设计相似比为1/4的两层外廊式框架结构模型,并进行了振动台框架倒塌试验。试验再现了典型外廊式框架的倒塌过程。根据框架倒塌模式及试验结果分析,研究了各层加速度反应随结构破坏程度加深的关系及层间位移角变化规律。总结出框架结构破坏不同阶段所对应的层间位移角限值,计算了不同输入下各柱的动轴压力大小,分析了外廊式框架的破坏机理及倒塌原因。研究结果表明:在倾覆弯矩引起的动轴压力作用下,外廊式框架单柱侧的总轴压比升高,延性显著降低,柱端塑性铰区出现压剪破坏是引起外廊式框架倒塌的主要原因。     

型钢混凝土框架结构失效模式的识别和优化

研究建筑结构在地震作用下的破坏机理,通过识别和优化结构的失效模式,实现结构的破坏由理想的失效模式控制,对提高结构的抗震性能及降低结构倒塌造成的人员伤亡和财产损失具有重要的意义。本文以型钢混凝土框架结构为研究对象,利用地震工程模拟软件OpenSEES平台,采用增量动力分析（IDA）方法得到计算模型在地震作用下的反应,提出了结构最弱失效模式的识别方法,并提出了最佳的优化方案,对相关工程应用有一定的理论指导意义。     

砌体结构地震倒塌过程的仿真程序开发

为完善砌体结构的抗震设计方法,需要在有限的试验数据的基础上,借助可维护的仿真分析程序,研究其地震倒塌过程的机理.基于离散单元法(Discrete Element Method,DEM),编制了模拟砌体结构地震倒塌过程的计算模块.按照面向对象的思想,对计算过程所需的大量数据进行了分割、抽象和封装,使数据结构和被模拟的真实结构之间保持了良好的逻辑对应.通过消息传递的方式.实现了求解过程的并行化.在保持数据结构一致的基础上,使用图形标准OpenGL(Open Graphic Library)编制了三维动态图形模块.通过以上工作开发了完整、可维护的程序,并对砌体结构模型的振动台倒塌试验进行了仿真分析.结果说明该程序能够完成强地震作用下砌体结构空间倒塌反应的定量分析,可用于探讨结构倒塌机理.     

钢筋混凝土框架结构弹塑性数值子结构分析方法

大型复杂土木工程结构在地震作用下失效破坏可能由部分关键构件严重损伤破坏导致,而大部分构件仍处于弹性或小变形状态。该类结构的地震损伤和破坏全过程分析涉及超大规模系统强非线性动力分析,目前尚缺乏能很好兼顾效率和精度的计算理论,基于此,该文提出一种新型高效且实用的弹塑性数值子结构理论和计算方法,将大型复杂结构系统的大规模非线性计算问题转化为整体结构适度规模的线弹性分析和数量与规模均较小的局部隔离子结构非线性分析,其中,线弹性整体结构刚度矩阵的集成及LU三角分解仅需进行一次,大大提高计算效率;少数屈服构件的子结构非线性分析采用精细化有限元模型或不同类型单元模型,精确模拟构件局部损伤破坏机理,有效提高结构整体的计算精度。最后通过对一榀平面钢筋混凝土框架结构进行地震动力弹塑性数值子结构方法分析,验证其高效性与精确性。     

荷载非对称分布下单层球壳的动力倒塌振动台试验研究

为验证荷载非对称分布下网壳结构的动力倒塌机理,对一个单层球面网壳缩尺模型进行了振动台试验。选用三条地震波对网壳结构的动力特性、弹塑性阶段的动力响应(位移、加速度和应变等)、倒塌阶段的破坏过程进行了研究。通过ANSYS/LS-DYNA,以显式动力分析方法为基础,模拟了荷载不对称分布下网壳结构的倒塌全过程,并进行了倒塌机理的分析。结果表明,当网壳受半跨荷载时,形成塌陷区域的节点位于荷载作用区内,中部主肋屈曲产生了较大的动力效应并导致结构荷载作用区内局部塌陷形成、扩大使结构最终倒塌。有限元分析结果与实测结果吻合较好,验证了数值计算方法的正确性。     

考虑填充墙平面内外相互作用评估RC框架-填充墙结构抗整体性倒塌能力

首先简要阐述了可模拟填充墙平面内外相互作用的纤维离散化梁-柱单元模型。其次,基于OpenSees分析软件,对某倒塌试验的4层钢筋混凝土框架-填充墙结构进行了数值模拟,数值模拟结果与试验结果的对比表明考虑平面内外相互作用的纤维离散化梁-柱单元模型模拟框架-填充墙结构中的填充墙是有效的。最后,基于校准后的数值分析模型,利用OpenSees分析软件对某钢筋混凝土框架-填充墙结构教学楼,区分考虑和不考虑填充墙平面内外相互作用两种情况,分别建立三维空间模型,进行了静力推覆分析和增量动力分析,进而利用24条地震动记录输入下的增量动力分析结果,给出了具有50%倒塌概率的结构抗整体性倒塌能力。分析结果对比表明不考虑填充墙平面内外相互作用会明显低估结构的抗倒塌能力。