结构三维弹塑性分析方法及计算机程序CANNY

介绍了作者研究开发的结构三维弹塑性分析方法及其在建筑物震害研究中的应用。采用杆系模型,包括梁,柱,墙单元,拉压杆单元,弹簧单元和阻尼单元,可建立各种结构计算模型（质点系模型,平面或空间框架模型）。对柱和墙单元等压湾杆件,采用了“多弹簧模型”和“纤维模型”来考虑变动轴力和双向弯曲荷载之间的耦合作用,能够表达压弯杆件在多轴荷载作用下的力学特性,从而比较真实地模拟结构弹塑性地震反应。为了表达各种荷载作用下杆件或弹簧的力和变形关系,作者开发和引进了多种恢复力模型,这些恢复力模型模拟了材料的非线性。在结构分析过程中也采用近似方法考虑了几何非线性。采用以上计算模型,作者开发了结构三维弹塑性分析计算机程序CANNY,用于分析遭受地震作用的建筑物,其结果与实际的地震破坏吻合较好,能够说明结构的破坏机制。     

基于梁柱杆件的墙/板宏观模型研究

多次地震震害表明墙和楼板对结构抗震性能有重要影响。为考察地震作用下墙和楼板在结构中的作用规律,弹塑性分析时结构模型中必须对墙和楼板进行合理模拟。针对已有模型的不足,建立基于梁柱杆件的墙和楼板宏观模型-BAC墙板模型,可兼顾墙/板平面内、外的力学性能。模型由若干梁柱杆件组成,各杆件的截面几何参数按刚度等效结合墙或楼板构件的原始几何尺寸确定;材料特性直接采用墙或楼板的材料特性。在弹性阶段,采用BAC墙板模型分别对墙/板构件以及含墙、楼板的二层钢筋混凝土结构进行计算。结果与采用壳单元模型的计算结果比较,二者在动力特性、受力变形等方面均吻合较好。在塑性阶段,分别对单调荷载作用下的砌体填充墙钢筋混凝土平面框架和往复荷载作用下的钢筋混凝土剪力墙进行弹塑性分析。研究构件的破坏特征以及荷载位移关系,将结果与试验进行比较,验证BAC墙板模型在塑性阶段分析的可靠性。     

考虑剪切变形RC框架结构非线性分析

在钢筋混凝土桥梁和高层建筑结构中,由于柱轴压比的限制,在结构中经常形成短柱,地震时易发生脆性剪切破坏而导致结构破坏甚至倒塌.本文基于考虑弹塑性剪切变形的梁柱单元,建立了含短柱框架结构整体非线性分析的计算模型,编制了程序,在截面刚度矩阵中,剪切变形和轴向、弯曲变形不耦合,但是剪切和弯曲力在单元层面耦合.对钢筋混凝土框架结构的静力加载程序试验结果表明,改进后的纤维模型能够较好地描述钢筋混凝土框架整体结构在压、弯、剪荷载共同作用下的非线性性能.     

半组合结构压弯构件滞回试验的有限元模拟

基于按结构材料力学功能建立离散化单元的思想,将混凝土离散为各向的弹塑性弹簧单元,建立了半组合结构柱的有限元模型。通过有限元软件ANSYS对6个半组合结构压弯构件进行了反复荷载作用下的滞回性能非线性分析,得到了其荷载一位移曲线,并与试验结果进行了对比。结果表明：由有限元模型得到的滞回曲线与试验曲线相似,模拟效果良好;该有限元模型能模拟构件的弹塑性行为和抗震性能,建模简单,结果可信,计算效率高,可用于构件滞回性能的参数分析。     

带有初始缺陷的钢桁架极限承载力分析研究

本文以杆系单元有限元为基础，通过采用杆端集中弹塑性变形假定，导出了考虑应变强化和刚度退化效应的非线性恢复力模型，能模拟杆件真实的弹塑性刚度在加载过程中的连结变化过程。据此，笔者编制了一套计算破坏荷载的计算机程序，此外，还进行了６ｍ跨有初弯曲缺陷的钢桁架极限承载力实验，试验值与理论值吻合较好。     

考虑基础刚度的某步行天桥结构抗震分析北大核心

以某超长大型步行天桥的抗震分析为例,在上部结构分析中引入了地基基础刚度。采用弹性时程和弹塑性时程等方法分析比较了固定约束、线性弹簧约束、非线性弹簧约束等不同模型在地震下的响应。计算表明引入基础刚度后,上部结构的动力特性发生变化,柱分担的地震剪力比例上升,墙的比例下降。在大震弹塑性时程分析中,基础的非线性变形起到了耗能作用,削弱了上部结构的地震响应。     

钢筋混凝土压弯构件恢复力模型的研究

恢复力模型是描述往复荷载作用下钢筋混凝土结构弹塑性性能的基本要素,对钢筋混凝土结构抗震性能和计算机模拟有十分重要的意义.简要评述多年来国内外钢筋混凝土压弯构件恢复力模型的研究成果,分析了各种平面恢复力模型和空间恢复力模型的优缺点和存在的主要问题,介绍了恢复力模型的新发展,提出恢复力模型发展的研究建议.     

离心预制混凝土管组合柱抗震性能有限元分析与恢复力模型研究

基于离心预制混凝土组合柱抗震性能试验,采用ABAQUS软件对该类型组合柱在轴压及水平往复荷载作用下的受力性能进行了非线性有限元分析,研究了轴压比、预制管及芯部混凝土强度、体积配箍率和预制管空心率对柱承载力及变形能力的影响。并采用拟合法建立了适用于该类型组合柱的恢复力模型。研究结果表明：有限元结果与试验结果吻合较好,在轴压及水平往复荷载作用下,柱的破坏模式为压弯破坏,耗能能力较好。柱承载力随轴压比增加而提高,但变形能力降低,当轴压比超过临界值时,柱的受力状态转为小偏心受压,承载力降低;提高预制管或芯部混凝土强度可提高柱承载力,但会降低柱的变形性能;提高体积配箍率及降低预制管空心率可改善柱的变形能力,当空心率降低至20%后,其影响可忽略。本文所建立的恢复力模型与试验结果吻合较好,能够较为准确地模拟该类型组合柱的滞回特性。     

考虑基础刚度的某步行天桥结构抗震分析

以某超长大型步行天桥的抗震分析为例,在上部结构分析中引入了地基基础刚度。采用弹性时程和弹塑性时程等方法分析比较了固定约束、线性弹簧约束、非线性弹簧约束等不同模型在地震下的响应。计算表明引入基础刚度后,上部结构的动力特性发生变化,柱分担的地震剪力比例上升,墙的比例下降。在大震弹塑性时程分析中,基础的非线性变形起到了耗能作用,削弱了上部结构的地震响应。     

竖向地震作用下混凝土框架结构抗震性能研究

一般认为水平地震作用是引起结构破坏的主要因素，然而据震害现象和地震记录显示，在一些地震中竖向地震作用很大也会导致结构或构件的破坏。文中应用弹塑性时程分析程序对两个框架结构进行了分析，一个是单层单跨，另一个是八层双跨。混凝土框架分析模型采用杆系模型，其中柱采用多弹簧模型，柱端的混凝土和钢筋作为弹簧考虑以便反映柱轴力与弯矩一曲率的耦合关系，弹簧的滞回关系根据材料特性确定，柱截面的转动符合平截面假定，梁截面弯矩一转角关系采用三折线滞回关系模型。分析时采用输入横向振动的地震波和同时输入横、竖向振动的地震波两种形式，通过两种情况下结构动力响应的对比，分析研究了竖向地震动对框架结构的影响。     

基于有限单元柔度法的钢筋混凝土空间框架非弹性地震反应分析

本文基于有限单元柔度法纤维模型梁柱单元理论,编制了钢筋混凝土空间杆系结构非弹性动力分析程序。通过对一个退台六层钢筋混凝土空间框架振动台试验结果与数值模拟分析结果的对比,对基于非线性有限单元理论和纤维模型的空间杆系分析模型进行钢筋混凝土空间框架非弹性地震反应分析的有效性进行了验证和评价。对地震振动台试验的模拟分析表明,纤维模型梁柱单元对中等以下损伤的结构地震反应具有很好的模拟能力,对于结构处于严重损伤的阶段,模拟所得的结构位移和损伤程度将会小于结构的实际位移和损伤程度,这可能是由于目前纤维模型梁柱单元尚不能考虑钢筋的粘结滑移以及将现浇楼板简单处理为刚性并未考虑楼板刚度实际会出现明显降低的现象所致。     

建筑物三维分析模型及其用于结构地震反应分析的可靠性

日本理化学研究所地震防灾研究中心与加拿大英属哥伦比亚大学的研究人员合作,共同开发和进一步发展了用于研究结构物地震反应的三维分析模型,并采用该模型编制了计算机程序,用于模拟结构物的地震反应,研究地震破坏机理.运用该分析模型的建模方法和对一设有地震仪的钢筋混凝土框架建筑物进行了分析.通过将分析结果与该建筑物在1994年Northridge地震中的记录和损伤情况进行比较,验证了作者所开发的三维分析模型和计算机程序的可靠性.     

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。     

双塔连体复杂结构抗震性能数值分析

针对双塔连体复杂高层结构,结合ABAQUS强大的非线性求解能力,通过SATWE建立结构分析模型导入ABAQUS中进行弹塑性动力数值模拟分析。所研究工程采用不等高的主、副双塔,副塔立面一侧成斜线向上扩张,刚度和质量均不对称,超出国家现行设计规范和规程规定。选用修正的弹塑性损伤本构模型在ABAQUS中二次开发,地震波采用上海某人工波SHW2,得到结构在7度多遇和罕遇地震作用下的破坏模式和内力、变形情况。将计算结果和振动台试验数据进行比较,结果表明:采用修正的本构模型在ABAQUS软件中的分析结果与振动台试验结果在结构自振频率、振型形态、最大楼层位移、顶层位移时程等方面符合较好,为双塔连体类型的复杂高层结构在地震作用下的受力状态和反应特点提供了一种行之有效的弹塑性数值模拟方法。     

混凝土宏观本构模型研究进展

近年来,随着结构工程的快速发展,对结构在罕遇地震和风载作用下的精准数值模拟与性能化设计提出了更高需求.结构工程中的混凝土属于准脆性材料,试验表明混凝土具有显著的受压软化、受拉软化、剪切软化和捏拢效应等特性.针对上述特性,概述了结构工程数值模拟中常用的6种混凝土数值模型,包括非线性弹性模型、脆性裂缝模型、弹塑性裂缝模型、...     

上海世博会中国馆结构弹塑性时程分析

上海世博会中国馆东方之冠建筑造型和结构体系独特,结构为复杂大跨大悬挑钢-混凝土混合结构,主体结构为四个混凝土筒体,上部楼屋面采用混凝土梁板体系、型钢梁-混凝土板梁板体系和钢桁架梁-混凝土板梁板体系。由于上部结构悬挑较大,结构1阶振型为扭转振型,不满足现行建筑抗震设计规范的要求。采用NosaCAD2005有限元程序建立整体结构分析模型,压弯构件采用纤维截面模型,墙体采用非线性平板壳单元,以反映构件非线性复杂受力情况。通过7度多遇和7度罕遇烈度下的弹塑性时程分析,研究了该结构的变形、内力、破坏情况的发展历程。计算结果表明,小震情况下,结构构件未出现损坏;大震情况下,结构最大层间位移角满足1/100的限值要求,筒体构件损坏顺序和分布较为合理,能在一定程度上耗散地震输入能量。出现塑性铰的杆件未超过极限承载能力,结构可以满足"小震不坏"、"大震不倒"的抗震设防要求。最后根据构件的受力或损坏情况,给出了设计改进建议。     

增量动力分析方法的改进及其在高层混合结构地震危害性评估中的应用

在基于性能的地震工程中,增量动力分析(IDA)常被用于计算结构的动力反应、损伤性能及可能的经济损失。这种定量的危险性分析方法主要包括:选择一组地震波并完成结构非线性模型的IDA,总结得到各种分位值对应的IDA曲线及相关状态性能限值,将IDA结果与地震危险性分析结果结合起来形成结构地震危害性评估的计算格式。本文介绍了IDA的基本原理与过程,提出了改进IDA曲线统计的方法。通过对一栋25层高层混合结构进行IDA分析,得到该结构概率分位值为16%,50%和84%的IDA曲线及其对应的极限状态值,结合上海市概率地震危险性分析曲线,对该高层混合结构的地震危害性进行评估,同时对这种评估方法在高层混合结构中应用的可靠性与可行性进行论证。     

基于试验测量的高层结构整体抗震损伤评估

结构的损伤模型可以从材料、构件和整体三个层次研究。整体结构损伤模型主要以结构整体为研究对象,从结构的整体反应参数变化研究结构整体性能的变化规律,并对在地震作用下结构的损伤、抗震性能进行分析。结构损伤时物理参数的变化,必将引起动力参数的变化。因此可以通过动力测试来捕捉结构动力参数的变化,如:结构损伤前后固有频率、模态振型和阻尼的变化,可以进行结构损伤诊断。结合在同济大学土木工程防灾国家重点实验室做过的几十个模拟地震振动台试验测试结果,统计和总结地震作用下高层建筑结构自振频率与阻尼比的变化规律,提出了一种新的损伤模型与损伤指标。该损伤模型综合考虑了高阶振型、振型参与系数、结构自振频率、阻尼比等影响因素。最后,用该损伤模型和损伤指标对其中3个典型的高层建筑结构模型模拟地震振动台试验数据进行验证,结果表明:该损伤模型与试验现象基本吻合。可对既有工程结构快速准确地进行动力损伤识别与评估。     

钢筋混凝土多高层建筑结构在地震作用下的割线刚度分析法

基于性能/位移的抗震设计,采用振型分解反应谱法进行抗震分析,并根据钢筋混凝土框架及抗震墙模型的试验数据,确定各变形阶段框架及抗震墙的割线刚度,分析了多高层建筑结构侧移的成分,以及引起震害的侧移。将不同变形阶段框架及抗震墙的割线刚度、目标位移的控制值与引起震害的侧移值相联系,对钢筋混凝土多高层建筑结构进行分析。预估结构遭遇本地区多遇地震、设防烈度地震及罕遇地震时的弹塑性变形和弹塑性内力的重分布,以便了解和把握地震时结构的行为。为基于性能/位移的抗震设计方法,提供了新的分析途径。