蔓延火灾下混凝土框架连续倒塌数值分析

为分析和模拟多层混凝土框架结构在蔓延火灾下的反应规律及其破坏过程,基于纤维梁模型和楼板简化建模方法,建立了一个8层钢筋混凝土框架整体结构数值模型,分析对比了最不利位置处发生静止火灾和蔓延火灾时整体结构的力学响应。模拟结果表明,不论是静止还是蔓延火灾作用,结构短边受火工况均由于结构内力重分布能力不足发生了局部倒塌,而长边工况由于荷载传力路径较多,并未引发倒塌。相比于静止火灾,蔓延火灾作用时受火构件内力重分布次数增多,延长了整体结构的耐火极限时间。     

基于ABAQUS纤维梁单元的钢筋混凝土柱受力破坏全过程数值模拟

合理、准确地模拟钢筋混凝土梁柱构件的非线性及断裂破坏行为,对于进行钢筋混凝土框架结构在强震作用下的倒塌破坏机制研究具有重要的意义。基于有限元软件ABAQUS的显式求解模块Explicit,研究了钢筋混凝土梁柱构件纤维梁单元的构型及其单元消除技术,构建了包含材料破坏准则的钢筋、混凝土单轴本构关系,并利用用户材料接口VUMAT编制了相应的计算子程序。为验证上述方法的合理性和正确性,本文对轴压与侧向往复加载下钢筋混凝土柱构件的受力破坏全过程进行了数值模拟。计算结果表明:采用单元消除(杀死)可以简单、有效地实现有限单元法对于梁柱构件断裂破坏过程的模拟;基于纤维梁单元构建的材料单轴本构关系和破坏准则能够准确、细致地描述钢筋混凝土柱在荷载作用下的非线性性能发展、构件截面的渐进破坏过程以及残余构件的运动状态;对于非线性性态发展较为强烈的结构构件,考虑材料失效的模拟分析结果更为合理、可信。该方法可用于钢筋混凝土框架结构在强震下倒塌全过程的模拟分析。     

采用纤维梁单元分析钢-混凝土组合结构地震反应的应用

将用于钢-混凝土组合结构地震反应分析的纤维梁单元应用于各种类型构件的非线性分析中,包括普通钢筋混凝土构件（钢筋混凝土梁、钢筋混凝土柱和钢筋混凝土受弯剪力墙）、钢-混凝土组合梁构件（承受正、负弯矩的简支组合梁、连续组合梁和往复荷载作用下的组合梁）以及钢管混凝土构件（圆形、方形以及矩形轴心受压短柱构件、纯弯构件、压弯构件和往复荷载作用下的压弯构件）,数值模拟结果和试验结果均吻合良好,证明了该模型具有良好的精度以及广泛的适用性。通过对关键截面关键纤维的应力-应变发展过程进行分析,对这些构件的内在受力机理和破坏规律进行了深入的讨论。经过验证可知,开发的纤维梁单元不仅能充分兼顾准确性、通用性以及高效性,同时还具备求解速度快、数值稳定性好以及前后处理强大方便的特点,为组合结构体系的地震反应分析提供了可靠的手段。     

基于ABAQUS的混凝土单轴材料模型开发与应用

为了在有限元软件ABAQUS中实现用纤维梁单元模拟钢筋混凝土构件,通过ABAQUS自身提供的隐式模块下的用户自定义子程序接口UMAT,在软件中开发了用于纤维梁单元的混凝土单轴本构滞回模型。利用所开发模型,通过静力分析模块对钢筋混凝土梁、板单调加载试验试件和柱、剪力墙低周反复加载试验试件进行非线性数值模拟分析;同时通过动力隐式分析模块对一组钢筋混凝土框架振动台试验试件进行了弹塑性时程分析,并与试验结果进行比较。结果表明,本文基于ABAQUS软件二次开发的混凝土单轴滞回模型具有较高的精度和较为广泛的适用性,能够较准确地模拟钢筋混凝土构件在弯矩及弯矩和轴力共同作用下的非线性行为,可以作为下一步研究的基础。     

高温后混凝土构件基于纤维单元的数值分析

为分析混凝土构件高温后的力学性能和反应规律,开发了基于纤维单元算法的程序,接口大型通用有限元程序ABAQUS,并建立起混凝土结构受火后的数值模型。对两跨连续梁、板进行受火后反应分析,并将梁板加载点处荷载位移曲线及混凝土压应变与实验数据对比,验证了数值模型的合理性,表明纤维单元模型可以较好地模拟钢筋混凝土构件火后残余力学性能。分析结果为三维受火框架分析及数值模拟提供了参考。     

钢筋混凝土框架结构耐火性能及抗火设计方法

在采用梁单元的基础上建立钢筋混凝土框架整体结构耐火性能计算模型。框架结构横向3跨、高度7层,两个方向的跨度为8.4 m,层高4.0 m。混凝土采用C30混凝土,钢筋采用HPB400级钢筋。对火灾下典型的多层多跨钢筋混凝土框架结构的变形特点、典型破坏形态、内力重分布规律以及耐火极限进行分析。分析表明,火灾下框架结构出现了整体破坏形态和局部破坏形态两种典型的破坏形态,框架柱破坏是框架整体破坏的主要原因。提出钢筋混凝土框架结构的实用抗火设计建议。     

火灾下钢筋混凝土框架结构倒塌数值模拟

基于ABAQUS对钢筋混凝土框架结构在火灾下的倒塌数值模拟进行了研究。采用纤维梁单元模拟框架梁和柱,编制了可用于应力-温度耦合场、可考虑材料失效的混凝土和钢筋材料单轴本构用户子程序,通过材料失效模拟单元的破坏;采用壳单元模拟钢筋混凝土楼板,考虑了钢筋混凝土楼板的刚度削弱、钢筋拉断;采用单元接触考虑了倒塌过程中单元之间的碰撞。以某钢筋混凝土框架结构为例,对其在火灾下的倒塌机理进行了分析。     

钢管混凝土组合框架结构体系抗震性能的增量动力分析法

基于有限元软件ABAQUS用户材料模型子程序二次开发技术,建立了钢管混凝土组合框架体系的数值模拟模型,该模型得到了以往研究者完成的钢管混凝土构件及组合框架结构低周往复荷载试验结果的验证。分别基于非线性纤维梁单元及分层壳单元模拟梁柱构件及楼板,用增量动力分析(IDA)方法对某9层钢管混凝土空间框架结构的抗震性能进行了研究,对某一地震动下结构由弹性阶段到屈服再到塑性阶段过程中的性能点、层间位移角、结构顶层谱加速度时程响应、框架塑性铰出铰顺序及基底剪力时程曲线进行了判定,为进一步评估钢管混凝土空间框架结构的抗震性能提供参考。     

考虑应变率效应的钢筋混凝土动态纤维梁单元模型

为准确描述钢筋混凝土结构的非线性地震灾变过程，建立了一种基于显式算法可考虑地震作用应变率效应的钢筋混凝土动态纤维梁单元模型，并以材料子程序(VUMAT)的形式嵌入ABAQUS有限元分析平台中。对混凝土、钢筋以及钢筋混凝土柱动态加载试验进行了数值模拟，测试并验证该模型用于钢筋混凝土材料及构件动态性能分析的准确性和有效性。研究结果表明，所提出的钢筋混凝土动态纤维梁单元模型计算精度较高，能够准确并实时反映地震作用下应变率对材料及构件动态性能的影响，可为精确计算钢筋混凝土结构在地震作用下的非线性动力反应提供理论基础。     

火灾下钢筋混凝土框架结构高温力学性能数值模拟研究

建立一个单层双跨钢筋混凝土框架模型,基于钢筋和混凝土材料的热工性能和高温力学性能,运用ABAQUS 有限元软件对框架结构进行单室和多室火灾模拟,研究不同火灾工况下,梁、柱构件及整体结构的温度场分布、变形特征和内力变化规律。结果表明：框架结构在单跨受火及双跨受火两种不同受火情况下,双跨受火梁及边柱的温度场与单跨受火时相同,而中柱及节点核心区的温度分布存在差异;节点核心区温度较周围的梁段和柱段明显偏低;受火方式及框架柱的轴压比对框架结构高温力学反应存在显著影响。     

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...     

火灾下钢筋混凝土平面框架结构受力机理分析

为研究火灾下钢筋混凝土框架结构的受力机理,采用梁单元建立了钢筋混凝土框架结构耐火性能有限元计算模型,考虑火灾位置、柱轴压比和梁配筋率等参数的影响,对火灾下钢筋混凝土框架结构的变形、内力重分布、破坏形态以及耐火极限进行了参数分析。分析结果表明,火灾下框架结构出现了整体破坏形态和局部破坏形态两种典型的破坏形态：当柱轴压比较小时,框架出现受火梁破坏导致的框架局部破坏形态;当柱轴压比和梁配筋率均较大时,框架出现受火中柱和受火边柱破坏导致的框架整体破坏形态,整体破坏形态为连续性倒塌破坏。在框架局部破坏形态条件下,三面受火梁在框架竖向分布位置不同,受约束作用不同,框架的耐火极限亦不同;而在框架整体破坏条件下,柱轴压比越大,耐火极限越小。     

Collapse simulation of reinforced concrete frame structures

Study of collapse‐resisting properties of structures has attracted widespread attention because of frequently occurring earthquakes and extreme events (e.g. blast) around the world. The developments in computational methods have enabled researchers to numerically simulate the collapse of structures under different kinds of loadings and provide reliable assessments of the collapse performance of structures. The dynamic nature of structural collapse requires a direct integration algorithm to solve the equations of motion of the numerical simulation model. A major concern in such simulations is the computational efficiency, which stems from the need to use a small time step size in both implicit algorithm and explicit algorithm. In this paper, modeling techniques to simulate typical failure mechanisms in reinforced concrete frame structures combined with the application of the recently developed explicit, unconditionally stable, parametrically dissipative KR‐α integration method to investigate collapse simulation are presented. A fiber beam‐column element is used to model the frame members, where the material nonlinearities, especially material softening, are simulated by a plastic damage model combined with a failure criterion. Numerical examples are presented to illustrate the proposed collapse simulation technique. The results indicate that the proposed technique provides an accurate result and has exceptional computational efficiency. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

钢筋混凝土框架抗连续倒塌的仿真分析

为研究钢筋混凝土框架结构的连续倒塌受力机理,在角柱失效倒塌试验基础上,运用ABAQUS有限元软件对钢筋混凝土框架进行了连续倒塌仿真分析。考虑到角柱失效倒塌过程中地梁和对角区域的构件几乎没有破坏,建模中只在角柱区域建立了钢筋混凝土板;同时考虑到位移加载方式简单而且模型更易收敛,故仿真倒塌全程采用位移控制。通过仿真得到了结构的荷载 位移曲线、框架的位移曲线、钢筋和混凝土应力曲线、破坏形态等,并与试验结果进行对比。结果表明:仿真结果和试验结果基本一致;角柱失效时,框架经历了弹性阶段、塑性铰形成阶段和失效阶段;该仿真能够较好地模拟框架模型连续倒塌的过程,并且能揭示倒塌破坏过程的受力特点。     

Experimental and modeling study on the progressive collapse resistance of a reinforced concrete frame structure under a middle column removal scenario

A reinforced concrete (RC) frame structure is one of the widely used structural system. A localized damage caused by extreme events may lead to progressive collapse of entire structures. In this paper, progressive collapse test of three 1/3‐scaled reinforced concrete frame, including a single‐story without a slab, single‐story with a slab, and double‐story with slabs, are reported. Experimental results show that the progressive collapse process of RC frame consisted of five stages: an elastic stage, yield stage, beam mechanism stage, transient stage and catenary stage. The reinforced concrete slabs contribute to large progressive collapse resistance force compared with the specimen without slab. Furthermore, validation of the test results by using a refined solid finite element model was established. The effect of extensive parameters, including slab thickness, beam section height, seismic design intensity, and so forth, on the progressive collapse performance of RC frame structures was simulated as well. The simulation results indicated that the collapse resistance of RC structures was substantially improved with the increased of the slab thickness and seismic design intensity. Finally, a simplified model is proposed in accordance with experimental and numerical results to calculate the collapse resistance of RC frame structures.     

Progressive collapse of 2D reinforced concrete structures under sudden column removal

Once a column in building is removed due to gas explosion, vehicle impact, terrorist attack, earthquake or any natural disaster, the loading supported by removed column transfers to neighboring structural elements. If these elements are unable to resist the supplementary loading, they continue to fail, which leads to progressive collapse of building. In this paper, an efficient strategy to model and simulate the progressive collapse of multi-story reinforced concrete structure under sudden column removal is presented. The strategy is subdivided into several connected steps including failure mechanism creation, MBS dynamic analysis and dynamic contact simulation, the latter is solved by using conserving/decaying scheme to handle the stiff nonlinear dynamic equations. The effect of gravity loads, structure-ground contact, and structure-structure contact are accounted for as well. The main novelty in this study consists in the introduction of failure function, and the proper manner to control the mechanism creation of a frame until its total failure. Moreover, this contribution pertains to a very thorough investigation of progressive collapse of the structure under sudden column removal. The proposed methodology is applied to a six-story frame, and many different progressive collapse scenarios are investigated. The results illustrate the efficiency of the proposed strategy.     

钢管混凝土、型钢混凝土、钢筋混凝土平面框架耐火性能对比分析

对常温下承载能力和刚度接近的钢管混凝土柱—钢梁平面框架、型钢混凝土平面框架、钢筋混凝土平面框架火灾下的破坏形态和耐火极限进行了对比分析。研究表明,三种框架的破坏形态存在明显差别,钢管混凝土框架出现了钢梁破坏,其他两种框架出现了受火柱破坏,型钢混凝土框架耐火性能最好。     

火灾降温阶段型钢混凝土框架结构受力性能研究

在火灾降温阶段,结构构件的截面部分区域升温的同时,也有区域在降温,结构受力性能较为复杂,建筑结构更易发生倒塌破坏。为研究火灾降温阶段型钢混凝土框架结构的受力性能,通过已有火灾升降温条件下型钢混凝土框架及柱的受力性能试验,得到了构件截面的温度-时间关系曲线、结构变形-时间关系曲线,以及升降温过程中框架及柱的破坏形态。同时,采用有限元模型对升降温过程中型钢混凝土框架及柱的受力性能进行分析。结果表明：在火灾降温阶段,构件截面的升温区和降温区的范围在逐渐变化,截面的应力也随之发生变化。在此阶段,构件截面内部温度升高导致材料强度降低,截面外部处于降温区域的材料强度进一步降低,截面内外温差导致截面周围出现拉应力。上述因素的共同作用导致结构在火灾降温阶段发生破坏。相较于受火前,结构温度降至室温时结构的刚度降低、变形增加。     

Mechanical performance of steel reinforced concrete frame structures during fire including a cooling phase

在火灾降温阶段，结构构件的截面部分区域升温的同时，也有区域在降温，结构受力性能较为复杂，建筑结构更易发生倒塌破坏。为研究火灾降温阶段型钢混凝土框架结构的受力性能，通过已有火灾升降温条件下型钢混凝土框架及柱的受力性能试验，得到了构件截面的温度-时间关系曲线、结构变形-时间关系曲线，以及升降温过程中框架及柱的破坏形态。同时，采用有限元模型对升降温过程中型钢混凝土框架及柱的受力性能进行分析。结果表明：在火灾降温阶段，构件截面的升温区和降温区的范围在逐渐变化，截面的应力也随之发生变化。在此阶段，构件截面内部温度升高导致材料强度降低，截面外部处于降温区域的材料强度进一步降低，截面内外温差导致截面周围出现拉应力。上述因素的共同作用导致结构在火灾降温阶段发生破坏。相较于受火前，结构温度降至室温时结构的刚度降低、变形增加。     

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