基于有限质点法的结构倒塌破坏研究Ⅱ:关键问题与数值算例

采用有限质点法求解结构倒塌破坏的关键问题，包括结构动力反应、几何非线性和材料非线性分析以及构件断裂。采用虚拟运动分离单元的刚体运动和纯变形，用以模拟结构的几何非线性行为；根据不同的本构模型计算质点内力，求解材料非线性问题；为模拟构件的断裂，建立了杆单元和梁单元的断裂准则，提出了断裂发生后的结构计算方法；综合考虑各关键问题，给出结构倒塌过程模拟的分析流程。通过对一个空间刚架的几何非线性、材料非线性和断裂行为的模拟和分析，验证了有限质点法在结构复杂行为计算中的正确性；最后对某悬挑网架结构在台风作用下的倒塌破坏过程进行研究，并将分析结果与现场破坏情况进行对比和分析。研究表明，该方法适用于结构的倒塌破坏研究，可以对倒塌全过程进行模拟，计算结果能够揭示结构的倒塌破坏机理。     

混凝土组合剪力墙结构建筑倒塌过程的模拟与防倒塌设计

分析对混凝土组合剪力墙结构性能的数值模拟方法,基于离散单元法提出结构倒塌分析的理论模型。针对混凝土组合剪力墙内的局部破坏作用,在分析构件反应的基础上采用离散单元法对结构平面倒塌过程进行了数值模拟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混凝土块体在碰撞形式下的计算模型。分析地震作用下混凝土组合剪力墙框架结构及砌体结构空间倒塌过程。通过图形建模技术,实现混凝土组合剪力墙结构倒塌过程数值模拟。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混凝土组合剪力墙结构大变形阶段的分析。同时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,并指出混凝土组合剪力墙结构参数对抗连续倒塌性能的影响及实用的防连续倒塌设计方法。     

基于有限质点法的多次跳跃和动态断裂

通过有限质点法(FPM)对空间桁架进行几何和材料非线性以及构件断裂在内的后屈曲分析。由于有限质点法可将空间桁架模拟为有限的质点,而每个质点都被认为在动态平衡之内,静态和动态分析可以在分析步骤上统一。在有限质点法(FPM)中将质点彼此分离更利于构件断裂的模拟。用部分内部作用力编写的虚拟运动的过程可精确计算没有迭代修正和刚度矩阵计算的几何非线性。通过描绘一个完整的包括弹性和非弹性屈曲、屈服、后屈曲、卸荷和重复荷载在内的应力-应变关系来说明材料非线性。有限质点法(FPM)的断裂指标和断裂模型可以模拟构件断裂。使用当前的方法可在两个传统的空间桁架的后屈曲范围内观察到多次跳跃和动态断裂的现象。通过比较数值模拟结果和节能方面的研究,对相应结果进行了验证。     

扩展散体单元法在钢筋混凝土桥梁倒塌分析中的应用

通过对原有钢筋混凝土结构扩展散体单元模型予以改进 ,提出了质点—桁架模型。将钢筋混凝土离散成单个质点 ,质点之间用桁架杆 (非线性弹簧 )联结 ,局部的破坏通过弹簧联结的断裂进行模拟 ,由此可计算结构从局部破坏到整体倒塌的全过程。借助面向对象的程序 (OOP)语言VisualC + +编制了分析软件 ,并计算了一个地震作用下独柱式桥墩倒塌的实例。计算结果表明 ,运用散体单元法分析桥梁倒塌 ,可直观地定性把握结构损伤发展直至倒塌破坏的全过程 ,对于结构倒塌破坏的机理研究具有重要意义。     

用于连续体与非连续体共存转化计算的质点元方法

为了进行建筑结构倒塌全过程的力学模拟，针对建筑结构倒塌数值模拟梁壳单元几何、材料、接触三重非线性且连续体向非连续体转化的动力计算问题，提出了显式有限元与离散元的统一模型“质点元方法”，该方法通过定义广义连接模型、构造连接模型转化法则和建立接触碰撞算法，将显式有限元与离散元统一于相同的计算框架之下，较好地继承了有限元的单元技术、本构技术以及离散元的非连续体计算能力，具有效率优先、精度可调的特点。通过某框架剪力墙结构计算表明，质点元方法能够用于建筑结构倒塌的连续体与非连续体共存及转化的强非线性动力计算。     

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。     

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     

一种用于建筑结构倒塌数值模拟的质点元方法

针对建筑结构倒塌过程的梁壳单元几何、材料、接触三重非线性且连续介质向非连续介质转化的动力计算问题,提出了能够考虑多重非线性用于连续介质与非连续介质共同作用且动态转化计算的质点元方法。该方法以质点运动学为基础,建模过程与有限元一致,通过定义广义连接模型、构造连接模型转化法则和建立接触碰撞算法,将显式有限元与离散元统一于相同的计算框架之下,具备有限元连续介质阶段的计算精度和离散元非连续介质阶段的计算能力,能够用于建筑结构倒塌等强非线性的动力计算。     

结构大变形的质点动力学分析

针对传统有限元在解决结构大变形时存在的问题,提出了一种新的解决办法——质点动力学方法,该方法把结构离散成为质点和与之相连的结构单元,质点遵循牛顿第二运动定律,由此求解质点的位移,从而得到结构的变形位移。     

基于向量式有限元的实体结构非线性行为分析

基于向量式有限元基本理论,推导了四节点四面体实体单元的基本理论计算式,通过参考平面的逆向运动来获得单元节点纯位移,进而通过变形坐标系获得单元节点内力。将双线性弹塑性材料本构模型引入向量式有限元实体单元,以实现考虑塑性硬化效应时实体结构的材料非线性行为分析。针对实体结构的碰撞接触行为,通过实体外表面质点和三角形网格面的单向碰撞检测来处理碰撞检测问题,采用基于中央差分的罚接触力响应方法来处理碰撞响应问题。弹塑性材料和碰撞接触均作为单独的计算分析模块引入向量式有限元实体单元。算例分析表明,所编制的向量式有限元实体单元程序可以有效实现线性和非线性材料情况下实体结构的静动力、大变形、大转动以及碰撞接触行为分析,验证了所提理论计算式和编制程序计算结果的可信度。     

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。     

Multi-snap-through and dynamic fracture based on Finite Particle Method

Using the recently proposed Finite Particle Method (FPM), we present the post-buckling analysis of space trusses considering both geometric and material nonlinearities and member fracture. The FPM models the space truss with finite separated particles. Since every particle is considered to be in dynamic equilibrium, the static and dynamic analysis can be unified to the same procedure. Particles are free to separate from each other with FPM, which is advantageous in the simulation of member fracture. Fictitious motion procedures are developed in the particle internal force calculations to handle strong geometric nonlinearity without iterative correction and stiffness matrix calculation. The material nonlinearity is accounted for by tracing a complete stress–strain relationship including elastic and inelastic buckling, yielding, post-buckling, unloading and reloading. The fracture criterion and fracture model of the FPM are developed to simulate member fracture. Phenomena of multi-snap-through and dynamic fracture during the post-buckling range of two classic space trusses are obtained using present method. Corresponding results are verified by comparisons of numerical simulation results and energy conservation studies.     

Progressive collapse analysis of high-rise building with 3-D finite element modeling method

Using the general purpose finite element package ABAQUS, a 3-D finite element model representing 20 storey buildings were first built in this paper to perform the progressive collapse analysis. Shell elements and beam elements were used to simulate the whole building incorporating non-linear material characteristics and non-linear geometric behavior. The modeling techniques were described in detail. Numerical results are compared with the experimental data and good agreement is obtained. Using this model, the structural behavior of the building under the sudden loss of columns for different structural systems and different scenarios of column removal were assessed in detail. The models accurately displayed the overall behavior of the 20 storey buildings under the sudden loss of columns, which provided important information for the additional design guidance on progressive collapse.     

Analysis of chloride diffusion in concrete structures for prediction of initiation time of corrosion using a new meshless approach

In this paper, a finite point method (FPM) is developed and adopted for solving the chloride diffusion equation for prediction of service life of concrete structures and initiation time of corrosion of reinforcements. Diffusion of chloride ions is generally assumed to follow the Fick’s second law. FPM is a truly meshless method which uses a moving least square approximation within a collocation strong form for solving the governing differential equation. Several 1D and 2D problems are solved using FPM and the results are compared with the analytical solution, classical finite element and finite difference methods, and weak form meshless based element free Galerkin method.     

用无网格有限点方法对柔性板的大挠度分析

基于级数展开的经典差分法只适用于分析具有简单几何特性、加载和边界条件的板。相反,有限元法却可以广泛应用于分析柔性板(弯曲和平面内作用)。应力不连续以及网格划分复杂导致了无网格分析法的出现,如有限点法(FPM)。有限点法是结合了带插值的最小二乘法和不规则点分布的一种方法,可以采用其推导出系统的控制方程。研究中,采用耦合的4阶非线性偏微分方程,分析板在侧向和平面内加载作用下的大挠度性能。研究中同时也解决了板的其他一些问题,并且利用其他的数值分析结果对文中提出的方法进行了评估。     

基于楼板双向受拉模型的钢框架结构连续倒塌分析

组合楼板作为钢框架结构的主要构件,对结构的抗连续倒塌能力产生较大影响,但现有的结构抗连续倒塌研究大多没有考虑楼板的影响。基于组合楼板的双向受拉模型,分析组合楼板在钢框架结构连续倒塌过程中的受力,提出考虑楼板拉结力作用的失效点竖向承载力简便计算方法。基于简化模型,通过有限元分析软件进行框架连续倒塌分析,验证计算方法的准确性,探讨楼板对塑性铰机制、极限承载力、失效点动态反应的振幅和周期的影响。研究表明,楼板能有效地提高结构抗连续倒塌性能。     

Seismic evaluation of old masonry buildings. Part I: Method description and application to a case-study

This paper describes a method developed to evaluate the seismic performance of old masonry buildings, which allows identifying the expected structural collapse mechanism of the structure. The collapse mechanism is identified by the accumulation of several damaged structural elements in specific points of the structure. The methodology allows simulating the non-linear behaviour of masonry buildings by making use of an iterative procedure, where the structure is changed at each step according to the cracking, yielding or collapse of structural elements at the previous steps. The method was applied to an old masonry building from the city of Lisbon that includes a three-dimensional timber structure enclosed in masonry walls aimed at providing seismic resistance. Discussion is made regarding the advantages of the iterative procedure for the identification of the expected structural collapse mechanism of old masonry buildings. The method limitations will also be discussed.     

多层钢框架连续倒塌性能的有限元分析

为了探究运用有限元方法分析计算多层钢框架连续倒塌性能的准确性和可靠性,为后续的倒塌分析工作奠定基础,以某2层钢框架-组合楼板体系抗倒塌试验为例,运用通用有限元软件ANSYS建立三维有限元模型。为准确模拟钢框架结构的结构构件组成、构件间的约束和受力情况、钢框架的初始破坏和倒塌破坏等过程,详细介绍相关的有限元建模技术、参数取值、材料失效准则等,并运用该方法进行有限元模型验证。结果表明：建立的有限元模型能够准确模拟结构的动力响应和构件的破坏模态,从而能够准确地分析计算多层框架的连续倒塌性能。     

湿压剪条件下黄土的结构屈服与强度特性

针对黄土的典型结构性特征,以常规三轴试验为手段,研究了黄土的结构性宏观力学反应及结构屈服与强度特性,研究结果表明:(1)在湿压剪应力作用下,土骨架被扰动、颗粒之间的联结被削弱,土稳定状态从亚稳定状态逐渐向稳定状态过渡,结构性降低;(2)在湿压减应力作用下,由于结构性黄土对水的特殊敏感性,结构性黄土的剪切屈服点向正常固结土的剪切屈服线移动,当这种增湿作用造成解结构性渐变演化过程完成时,结构性黄土的剪切屈服线与正常固结土的剪切屈服线重合;(3)对于结构性黄土而言,同一含水率条件时不同结构性参数p－q偏平面的临界状态线基本互相平行。(4)依据等结构性条件下黄土的结构屈服特性,建立了考虑结构性的摩尔库伦准则及黄土结构强度与应力比结构性参数之间的关系。