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。     

混凝土框架连续性倒塌的3维离散元数值模拟

目前对建筑物连续性倒塌的研究,多集中在有限元方法的改进,由于建筑物倒塌是一种非线性问题,因此一般有限元计算很难收敛。所以有限元法根本无法模拟结构倒塌的全过程。基于离散元原理的颗粒流数值模拟理论,借助离散元软件,编制了计算模型和分析程序,对混凝土框架的开裂、失效、退出工作、局部倒塌一直到整体倒塌,进行了全过程数值模拟。分析结果表明只要合理建模,离散元计算速度快,收敛效果好,能比较真实地反映结构连续性倒塌的过程。     

采用三维有限元模型的高耸结构连续倒塌分析

利用通用有限元软件ABAQUS,建立一栋20层建筑的三维有限元模型,并进行连续倒塌分析。用壳单元和梁单元模拟整体结构,考虑材料非线性和几何非线性。详细说明了建模过程,计算结果与试验数据很吻合。利用此模型,详细评估不同结构不同柱突然失效时的性能。此模型准确反映了柱突然失效时结构的整体性能,为连续倒塌研究提供了辅助设计指导。     

节点刚度对外伸端板连接钢框架结构抗连续倒塌性能的影响研究

为研究节点刚度对外伸端板连接钢框架结构抗连续倒塌性能的影响,本文利用ANSYS14.0建立两个6层平面钢框架的有限元模型,梁柱节点分别为刚性节点和半刚性节点,半刚性节点利用非线性弹簧单元Combin 39单元进行模拟。考虑材料非线性及几何非线性,采用备用荷载路径法对其进行非线性静力分析(采用Pushdown analysis)及非线性动力分析。结果表明:柱破坏时,与刚性节点平面钢框架相比,半刚性节点平面钢框架的塑性铰出现较晚,失效点竖向位移增大,结构的竖向承载能力降低,更易发生倒塌破坏,因此,进行外伸端板连接钢框架结构的抗连续倒塌分析时应考虑节点刚度的影响,否则会高估其抗倒塌能力,带来偏不安全的结果。     

爆炸荷载作用下钢框架结构连续倒塌分析

传统数值方法模拟建筑结构在爆炸荷载作用下的结构响应和连续倒塌时,具有计算模型复杂、计算量大的特点,实际应用价值不大。基于将爆炸荷载作用下结构响应分析分两步进行的数值模拟方法,利用非线性显式动力分析软件AUTODYN的Remap技术模拟爆炸波在空气中的传播过程,利用压强测点记录结构构件表面的爆炸压强时程曲线;建立结构精细化有限元模型,并将上一步记录的爆炸压强时程曲线施加于结构构件,利用LS-DYNA显式求解器分析结构在爆炸荷载作用下的动态响应和倒塌过程。将该方法应用于某钢框架结构在爆炸荷载作用下的动态响应和连续倒塌分析。结果表明：钢框架结构具有较好的抗爆性能,在发生1000kg TNT当量及以下规模的室外爆炸时,主体结构能够保证安全;在发生1500kgTNT当量及以上大规模爆炸时,发生次梁塌落等局部破坏,亦可能发生结构连续倒塌。     

基于有限质点法的结构倒塌破坏研究I：基本方法

动力荷载作用下的结构倒塌破坏问题一直是一个复杂而重要的研究课题。基于有限质点法对结构的倒塌破坏过程进行模拟和分析。有限质点法是基于向量式结构力学的数值分析方法，它将分析域离散为质点，质点间通过单元相连，质点间作用力的关系依靠单元变形描述，质点运动遵循牛顿第二定律，该方法通过描述质点的运动行为来追踪结构行为。给出了有限质点法的基本概念，以空间杆系结构为例建立质点的运动方程及其求解步骤。通过单元虚拟运动分离单元的刚体运动和纯变形，推导了空间梁系结构的计算公式。有限质点法计算结构非线性行为无需迭代求解非线性方程或特殊修正，计算构件断裂行为不受网格划分限制，与传统方法相比在结构复杂行为分析中具有优势。     

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。     

基于离散元的钢混结构倒塌全过程分析

钢筋混凝土框架结构倒塌过程中,结构由连续状态过渡到非连续状态,构件发生断裂、碰撞,各单元排列“失序”,常用的数值计算方法难以模拟出完全分离单元间的碰撞和堆积状态。文中利用改进的离散单元建立结构模型,确立构件断裂准则及碰撞准则,编制计算程序,检索碰撞单元,对结构倒塌全过程进行数值模拟,计算结果与混凝土框架结构爆炸倒塌试验结果一致,为离散单元法在混凝土框架结构倒塌全过程数值分析提供参考。     

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。     

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。     

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。     

框架结构不同倒塌模式的数值模拟与分析

基于离散单元法和杆端多弹簧模型的思想,引入适用于任意加载路径的弹簧恢复力模型,考虑混凝土轴向弹簧与截面剪切弹簧的耦合效应,建立了合理的弹簧破坏准则,并对单元失效后的碰撞问题进行了有效的处理,在此基础上开发了能够模拟强震作用下钢筋混凝土框架结构倒塌全过程的计算机仿真程序CSPF 1.0。以汶川地震灾区一实际建筑为例,利用CSPF 1.0程序模拟了地震作用下该结构响应的全过程,得到了该结构可能产生的强梁弱柱型倒塌模式。另外在增大原结构的柱截面尺寸及配筋的基础上,程序进一步模拟了强柱弱梁型的倒塌模式。通过对仿真结果的论述和分析,说明了程序CSPF1.0的可靠性和离散单元法在钢筋混凝土框架结构倒塌分析中的可行性,并在一定程度上揭示了框架结构的破坏机理和倒塌机制。     

Numerical simulation and analysis for collapse responses of RC frame structures under earthquake

In this paper, a discrete element model for collapse simulation of RC frame structure is constructed by discretizing the structure into a few elements and spring groups. This model introduces special hysteretic models of connected springs for arbitrary loading path and also takes into account reasonable failure criteria for springs considering coupling effect of shear and axial force. Based on the discrete element model, a computer program is developed to simulate the whole process of RC frame structures from initial state to collapse under earthquakes. Particularly, the contact-impact problem between discrete elements has been treated with effective measures. Then, the program is employed to study the collapse mechanism of a real building in Wenchuan earthquake-hit area; the result of which shows that the simulation program developed based on the new model can realistically simulate the seismic collapse process of RC frame structures.     

火灾下柱失效对多层钢框架连续倒塌的影响

针对钢结构抗连续性倒塌分析中多数采用直接拆柱法,不能真实反映由于火灾引起钢结构发生连续性倒塌时的实际情况,用ANSYS有限元软件建立无楼板的多层钢框架模型,选取已有文献中角部区域不同失效柱个数的工况。采用热固耦合法,考虑火灾使柱失效和材料非线性、几何非线性进行分析。研究了火灾下钢框架结构抗连续倒塌性能及角部区域允许失效柱个数,并将分析结果与已有文献采用直接拆除法结果进行对比。结果表明:采用ANSYS中热 结构耦合功能,结合生死单元法能够较好模拟钢框架由于火灾导致结构发生连续性倒塌的过程;通过分析3种角部区域不同失效柱个数的工况结果,得出失效柱允许个数为3根;与现有文献采用直接拆除法的有限元分析结果进行对比,发现采用直接拆除法分析结果过于保守,考虑火灾导致柱失效更加贴近实际倒塌情况。     

三维多层框架隔震结构非线性时程分析

对某多层框架隔震结构采用三维有限元模型进行了非线性时程分析，分析了该结构在地震作用下的动力特性和地震反应性能。分析结果表明，多层框架隔震结构的地震反应低于相应抗震结构的地震反应，在隔震结构设计中采用有限元法能更全面地，准确地反映隔震结构的地震反应性能。