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。     

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。     

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。     

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。     

基于离散元法的爆炸荷载作用下钢框架倒塌模拟

在杆系结构弹性离散元(DEM)方法基础上,进一步发展了可考虑截面塑性开展的DEM纤维本构模型,构建了构件断裂模拟算法,并将该方法应用于钢框架结构在爆炸荷载作用下的动态响应和倒塌破坏全过程模拟。结果表明:纤维模型可以考虑截面塑性开展以及损伤演化过程,断裂算法能有效地模拟构件的失效过程及破坏模式;在爆炸荷载作用下,边柱先于中柱失效,且钢柱产生了不可恢复的塑性变形直至断裂,最终丧失承载力导致钢框架发生整体倒塌。该方法为今后研究大型或超大型杆系结构的大变形、材料非线性以及构件断裂等复杂力学行为提供了一种新的数值分析手段。     

运营阶段悬索桥钢筋混凝土加劲桁梁有限元分析方法研究

采用传统分析方法对悬索桥钢筋混凝土加劲桁架结构进行分析,结果表明在运营荷载作用下构件计算内力普遍存在偏大问题。本文考虑结构几何非线性和材料非线性的影响,提出了该类结构杆件刚度考虑混凝土材料非线性影响的模拟方法,对某悬索桥进行了有限元分析及承载能力检算分析,并将计算分析结果与荷载试验结果进行对比分析,结果表明,运营阶段结构内力计算时,几何非线性效应不明显,考虑混凝土构件开裂对杆件刚度的折减影响,使构件受力状况与实际状况更加吻合。     

直接分析法中的二阶弹塑性分析

直接分析设计法,是一种通过在数值模型上更加精确地表征结构真实形态,采用非线性分析来获取结构的响应,不需要计算长度法进行构件受压稳定承载力验算的先进方法。该方法对数值计算提出了更高的要求,需要考虑几何非线性和材料非线性。因此,亟需针对直接分析设计法相关的基础理论展开研究。本文主要探讨适用于直接分析法的二阶弹塑性分析,介绍了一种基于柔度法的高性能梁柱单元(FBMI)。该单元采用力的平衡关系作为形函数,具有较高的精度。同时,该单元不仅能考虑轴力和弯矩的相互作用,且在单元推导过程中直接使用函数表征构件的几何初始缺陷,满足规范的相关要求。运用基于纤维截面技术的塑性区法,能够显式地考虑钢构件残余应力的影响,较为精细地模拟构件沿截面方向和沿构件方向的屈服过程。     

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。     

火灾下大空间网架结构的抗倒塌分析方法

基于性能化防火设计方法和结构连续性倒塌设计方法,提出性能化抗倒塌分析方法,并通过开发相应的有限元程序模块(FireStru)连接具体的火场模拟结果,实现结构火灾反应计算过程.其中采用的非线性静力分析方法可以进行结构在局部构件破坏后的抗倒塌分析,并判断结构是否倒塌、是否局部倒塌或是否整体倒塌.最后,通过一具体的体育场馆结构进行验证,从而为其在火灾下的结构安全提供科学依据.     

火灾下大空间网架结构的抗倒塌分析方法

基于性能化防火设计方法和结构连续性倒塌设计方法,提出性能化抗倒塌分析方法,并通过开发相应的有限元程序模块(FireStru)连接具体的火场模拟结果,实现结构火灾反应计算过程。其中采用的非线性静力分析方法可以进行结构在局部构件破坏后的抗倒塌分析,并判断结构是否倒塌、是否局部倒塌或是否整体倒塌。最后,通过一具体的体育场馆结构进行验证,从而为其在火灾下的结构安全提供科学依据。     

框架连续倒塌非线性有限元实用分析法

钢筋混凝土框架结构连续倒塌的分析涉及到砼开裂、混凝土和钢筋的材料非线性、结构的几何非线性等因素,目前通用的有限元分析软件尚不能对此进行有效的计算。本文考虑了材料非线性及P-△效应,采用塑性铰假设,设定了倒塌判定条件,用FORTRAN90编写静力非线性有限元分析程序,对钢筋混凝土框架结构进行了倒塌分析。     

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。     

强震作用下边框架柱激发失效后混凝土结构接触-碰撞响应模拟

结构连续倒塌大多由柱失效引起,而框架结构中边柱断裂失效后悬链机制发展不充分,更易引起上部结构局部坍塌,引发构件之间的接触-碰撞,甚至导致结构整体倒塌。对强震下边框架柱激发失效的接触-碰撞响应进行动力时程分析,分析中将主从节点建模技术应用于Open SEES分析模型,运用约束处理法计算考虑构件突然失效时的动力效应,采用非线性Hertz-damp模型对边跨坍塌行为进行碰撞力学建模,程序中产生的机构通过构件移除来实现。利用外部的MATLAB程序调用Open SEES求解器计算得到的数据来计算碰撞力,并将其作为反作用力作用于Open SEES中的主结构模型,计算碰撞力和地震动联合作用下损伤结构的动力响应。研究发现:边柱断裂后引起的局部机构对下部梁的剧烈冲击可能导致下部结构的破坏,考虑接触-碰撞行为后,结构的水平位移、竖向位移、失效路径甚至倒塌模式都有显著的变化。     

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。     

柳州第二大桥极限承载力的非线性有限元分析

根据预应力混凝土结构的材料非线性与几何非线性性质，编写了预应力梁式公路桥的有限元微机计算程序，模拟实桥在运营条件下和濒临破坏时的极限承载力。用此程序对柳州市第二大桥结构进行了分析计算，并与实测结果做了对比，吻合较好。     

基于混合近似法的纤维梁单元非线性求解方法#br#

环境荷载作用下土木工程结构往往产生较大的非线性变形,包括材料非线性和几何大变形两部分,而两者非线性问题的数值求解往往需要花费高昂的计算代价。隔离非线性有限元法是将材料应变分解为弹性与塑性两部分,在控制方程中实现刚度矩阵的弹塑性分离,使用Woodbury公式进行非线性求解。目前,该方法仅用于求解局部材料非线性问题。文章基于隔离非线性有限元法,推导同时考虑材料和几何非线性（简称混合非线性）的纤维梁单元控制方程;依据Woodbury公式和组合近似法的基本理论,提出混合近似法的高效非线性求解方法,并利用时间复杂度理论,对该方法与传统有限元法进行计算效率对比分析;将提出的方法应用于某钢框架结构的地震非线性反应分析,计算结果表明：文中方法可以在求解材料非线性时考虑几何大变形问题,在保证计算精度的同时使计算效率得到明显提升。     

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。     

基于纤维梁模型的火灾下多层混凝土框架非线性分析

为分析和模拟多层混凝土框架结构在火灾下的反应规律及其破坏过程,基于建筑结构分析中常用的纤维梁单元,建立了钢筋混凝土梁、柱构件的火灾破坏数值模型。模型将构件截面划分成多个纤维,可以考虑构件截面的不均匀温度场分布以及材料非线性和几何非线性问题。对单层单跨混凝土框架进行火灾反应分析,并与试验结果进行比较,验证了此数值模型的准确性。通过对多层框架进行火灾反应模拟,比较不同火灾场景的模拟结果,分析其反应规律以及破坏过程。结果表明,纤维梁单元模型可以较好地模拟钢筋混凝土结构的受火破坏过程,并且火灾发生的位置不同,结构的破坏机制也不同,一定条件下蔓延的火灾比不蔓延的火灾对多层混凝土框架结构的破坏性更大。分析结果可以为实际结构的防火设计提供参考。     

超高层框架-核心筒结构抗连续倒塌性能分析

利用ETABS有限元软件对某232 m超高层建筑进行抗连续倒塌性能分析，采用非线性静力和非线性动力拆除构件对结构进行连续倒塌分析，并比较两种方法下拆除构件的弯矩值和位移值。分析结果表明，使用非线性静力分析时，拆除角柱的最大塑性转角θ=2.41°，短边中柱最大塑性转角θ=2.16°，长边中柱最大塑性转角θ=0.73°，都没有达到最大塑性转角的限值；使用非线性动力分析，拆除角柱的最大位移为58.322 mm，拆除短边中柱最大位移为51.254 mm，长边中柱最大位移为45.026 mm，均未达到构件破坏的最大位移值。     

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。