现浇楼板对钢筋混凝土框架结构倒塌模式的影响

地震作用下钢筋混凝土框架结构通常呈现弱柱型破坏模式而倒塌。针对其破坏特征,将钢筋混凝土框架结构离散为“板-柱”和“梁-柱-节点”体系,结合块体间碰撞作用的冲量模型,基于离散单元法建立考虑构件间碰撞作用的钢筋混凝土框架结构空间倒塌反应计算机仿真系统,并通过2个框架结构模型的倒塌试验对其进行了验证。利用计算机仿真系统模拟分析了现浇楼板对钢筋混凝土框架结构倒塌模式的影响。结果表明：考虑块体间碰撞作用的框架结构倒塌仿真系统可以真实再现地震作用下框架结构的倒塌过程和废墟堆积情况;考虑楼板影响时,强柱型框架结构可能会出现弱柱型倒塌,局部倒塌型框架结构则可能不倒或呈弱柱型倒塌;框架结构抗震设计或评定中应充分考虑现浇楼板对框架抗震性能的影响。     

钢筋混凝土平面框架连续性倒塌的仿真分析

采用基于离散单元开发的仿真程序CSPF1.0对一榀模拟底层中柱失效的连续倒塌试验框架进行了计算分析,所得到的中柱荷载-位移曲线与试验曲线吻合较好,说明了仿真程序用于大位移大变形下的钢筋混凝土框架结构分析的可靠性。在此基础上,进一步加大竖向荷载对试验中未获得的连续性倒塌全过程进行了模拟。仿真结果与已有试验现象相符且对最终的倒塌过程给出了合理的预期,从而表明CSPF1.0程序能够较好地用于包括单元不连续及接触碰撞在内的连续性倒塌全过程的模拟。     

平面框架连续性倒塌的全过程模拟

基于杆端多弹簧的思想,运用离散单元法对钢筋混凝土框架结构搭建连续性倒塌分析模型,引入适用于任意加载路径的弹簧恢复力滞回模型,考虑了轴向弹簧与剪切弹簧的耦合效应,建立了合理的弹簧破坏准则,并对单元失效后的接触碰撞进行了有效的处理,在此基础上编制了平面框架结构连续性倒塌的计算机仿真程序。算例表明,本文开发的程序可以较为逼真地反映钢筋混凝土框架结构的倒塌破坏全过程。     

地震中钢筋混凝土框架结构倒塌反应的试验研究与数值仿真

制作一个1/4钢筋混凝土框架模型结构,进行模拟地震作用下结构倒塌的振动台试验。试验结果表明,由于现浇楼板的加强作用结构呈弱柱型的倒塌模式,倒塌过程中构件间的碰撞作用非常明显。基于离散单元方法,将结构离散为板单元和柱单元组成的板-柱体系或由梁单元、节点单元和柱单元组成的梁-柱-节点体系。在单元连接界面处构建由混凝土弹簧和钢筋弹簧组成的能反映构件空间受力性能的三维拉压弹簧组,引入任意加载路径下混凝土弹簧和钢筋弹簧单轴本构关系。采用动态松弛法求解结构的反应。借助于C++语言、MFC类库和OpenGL三维图形库,开发出钢筋混凝土框架结构空间倒塌反应数值仿真系统。用素混凝土柱的变形分析及结构模型试验结果验证数值仿真系统的适用性和准确性。     

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。     

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.     

地震作用下钢筋混凝土框架结构倒塌全过程振动台试验研究

以玉树7.1级地震中某底层遭到严重破坏的钢筋混凝土（RC）框架结构为原型,设计了1个1∶5缩尺的三维模型,通过模型的倒塌全过程振动台试验,研究了汶川、玉树地震中高烈度地区RC框架结构出现的典型侧向逐层呈多米诺骨牌式连续倒塌现象的全过程和倒塌破坏机制。试验中该模型结构的倒塌过程共分为两个阶段,即侧向增量倒塌和竖向连续倒塌。当底层层间位移角达到1/19时,试验模型处于临近倒塌状态。在倒塌过程中,底层角柱C3最先丧失竖向承载力,此时竖向倒塌开始发展,结构在重力荷载及输入地震动的共同作用下,底层柱的水平侧移持续增加,造成其相邻的柱B2、B3、C2相继失效,丧失竖向承载力,模型结构的冗余度不足使结构产生更大范围的竖向倒塌,最终模型结构呈侧向逐层连续倒塌。通过对倒塌后废墟的研究,发现模型结构呈“强梁弱柱”型破坏,其破坏模式与震害调查结果一致。最后,讨论了此种废墟下人员生存空间的问题,给出了防RC框架结构倒塌的相关建议。     

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。     

地震作用下砌体结构倒塌反应的数值模拟计算分析

本文建立了能反映砌体结构出平面破坏的三维空间刚体离散单元模型,并编制了计算机仿真程序,模拟了地震作用下砌体结构的倒塌反应,模拟结果和振动台试验结果比较,效果良好。     

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.     

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.     

Discrete element method-based collapse simulation,validation and application to frame structures

A discrete element model (DEM) is proposed herein for the collapse analysis of reinforced concrete (RC) frame structures, which is based on the improved segment-multi-spring model (SMSM). Failure criteria of the springs between elements are well established and the coupling effects between them are considered, while a methodology that can assess the global angular displacement of discrete element is developed. Moreover, a new modified element contact detection algorithm is also provided to improve computing efficiency and accuracy after elements fail. Accordingly, a DEM-based software is developed for the collapse simulation of RC frame structures utilising SMSM. Its accuracy and reliability are validated through a simulation of an experiment in which a frame structure collapsed due to the failure of a middle bottom column. Subsequently, a further investigation on the overall collapse process of the examined frame is performed. Simulation results agree well with experimental results. Finally, the software is applied to analyse a real building destroyed by the Wenchuan earthquake and the results show a good agreement with the in situ earthquake damage investigation.     

基于能量平衡的钢筋混凝土框架结构抗震塑性设计方法

在已有研究成果基础上发展了基于能量平衡的钢筋混凝土框架结构塑性设计方法。通过结构多失效模式分析,以“强柱弱梁”整体破坏机制作为塑性设计的失效模式;推导了结构能量平衡方程并给出了地震输入能和弹性振动能的计算式。为反映混凝土结构的承载力、刚度退化和捏缩效应,给出了修正的结构能量平衡方程,对结构的非弹性应变能进行修正。根据外力做功等于结构的非弹性应变能,求出考虑P-Δ效应的结构的侧向力大小,进而根据结构的耗能机制计算出梁柱构件截面的内力值。最后对1榀3跨7层钢筋混凝土框架进行塑性设计,并与对应的弹性设计结果进行对比。分析结果表明：塑性设计结构能充分形成“强柱弱梁”型屈服机制,结构的延性好,层间变形更加均匀,其抗震能力更强,验证了该方法的有效性和优越性。     

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     

基于震害的钢筋混凝土框架结构倒塌机理的集成多媒体仿真研究

本文在总结历次实际地震震害特点的基础上,针对钢筋混凝土框架结构的特点,运用面向对象的建模理论建立了一套能模拟房屋倒塌过程的计算机模型,结合钢筋混凝土框架三维非线性动力有限元方法,给出了一种计算机能自动判断局部或整体可动机构的快速算法,并引入可视化技术及多媒体系统集成原理,开发了框架倒塌仿真的集成多媒体仿真系统,对钢筋混凝土框架结构房屋的倒塌机理作了研究,仿真实例表明该系统能较好地再现框架的倒塌过程。