钢筋混凝土烟囱洞口受力性能参数分析

为探究影响洞口应力集中现象的最主要参数及洞口补强设计方法,首先开展了缩尺模型试验,分析了洞口周围应力状态,通过对比试验结果与数值模拟结果验证了分析方法的准确性;随后建立了49个不同参数的数值分析模型并开展静力弹塑性分析,分别研究了烟囱筒壁厚度、筒壁直径、开洞尺寸、开洞间距等参数对洞口周围应力状态的影响,确定了影响洞口应力集中现象的最主要参数,给出了开洞限值建议,提出了加密配筋设计方法。结果表明:烟囱开设单个洞口时,开洞横截面圆心角应小于70°,开设多个洞口时,总圆心角应小于140°,洞口间距不宜小于0.5倍洞口横向宽度;圆形洞口钢筋补强区域范围宜取4.5倍壁厚,矩形洞口宜取3.5倍壁厚,增加的补强钢筋宜取1.3倍非补强区配筋率;通过地震作用下动力反应分析验证了提出的洞口补强方法可有效减小洞口周围的应力集中程度,改善洞口所在区段的受力性能。

考虑非线性行为相似的高层结构动力试验模型简化设计方法研究

随着物理试验技术的快速发展,结构模型试验可较准确获得结构在环境荷载作用下的动力响应,但在土-结相互作用、区域群体结构、大型复杂结构的风洞、拟静力及动力等模型试验问题研究中,简单、实用、准确的结构试验简化模型仍是研究的重点。针对现有模型简化方法中非线性力学参数标定复杂、试验可行性不足等问题,提出了一种考虑非线性行为相似的高层结构动力试验模型简化设计方法,将模拟高层结构的弯、剪恢复力模型分解为线性和非线性行为的组合,其中结构非线性行为采用库仑摩擦模型模拟,因其参数简单,具有一定物理意义,可直接适用于缩尺模型动力试验研究中。基于上述理论方法,将弯剪耦合模型和平扭摩擦装置有效结合,提出了用于缩尺动力试验的物理模型设计方法及等效刚度、屈服后刚度和承载力等参数的计算方法,并建立了对应的“层间双剪切、双弯曲弹簧”力学计算模型,可通过模型试验结果较好地预测原型结构弹性及非线性阶段的动力响应。以某高层结构为例,通过数值模拟和振动台试验验证了该方法的准确性和可行性。

考虑土-结相互作用的大型结构高效地震分析方法

在对大型工程结构进行地震反应分析时土-结构相互作用通常不可忽略,然而,结构本身巨大的体量及考虑土-结构相互作用后引入的大范围土域模型导致计算规模通常十分庞大,由此引起的计算效率低下问题已成为制约此类结构性能分析的关键因素。该文提出一种新型土-结相互作用分析方法,并基于此实现了大型结构考虑土-结构相互作用的高效地震反应分析,建立不同接触状态下的单元法向和剪切相对位移分解方法;采用三维无厚度Goodman接触面单元格式对土与结构的接触行为进行描述,并通过插值方法对单元非线性变形进行描述,推导出隔离非线性的接触面单元控制方程;在此基础上,建立了大型工程结构考虑土-结构相互作用的整体式计算模型和高效地震反应分析方法。由于该文方法在每次迭代求解过程采用Woodbury公式计算结构响应,其仅需对一个规模极小的局部非线性矩阵进行迭代更新,避免了传统方法所需的结构大规模整体刚度矩阵实时更新分解,因而能够大幅度提高结构地震反应分析效率,数值算例验证了该文方法的有效性及高效性。

采用自适应Woodbury公式的框架结构高效动力分析与易损性计算方法

地震易损性分析是评价工程结构抗震安全性的重要手段,但在计算过程中通常需进行大量的动力时程分析,这导致其计算效率通常较低。该文旨在建立框架结构强震下的高效动力分析与倒塌易损性计算方法。使用纤维梁单元建立框架结构数值分析模型,引入隔离非线性理论进行局部材料弹塑性行为模拟,并通过对考虑P⁃Δ效应的几何刚度进行矩阵分解和摄动变换,提出了能够同时对局部材料弹塑性行为和几何非线性行为进行隔离表达的纤维梁模型控制方程,结合Woodbury公式进行控制方程求解,所提方法在结构动力非线性分析时能够避免整体刚度矩阵的反复更新,显著提升了求解效率;为克服动力Woodbury公式对时间步长选取的限制,进一步建立不同时间步长下该公式中相关系数矩阵的预处理机制和自适应调度机制,提出了基于自适应Woodbury公式的框架结构高效动力分析方法,在此基础上结合多条带法,建立了结构倒塌易损性曲线的快速计算方法。使用一个9层框架结构验证了所提方法的高效性和准确性。

土木工程结构非线性计算分析研究进展

非线性行为分析是探究土木工程结构在极端环境荷载作用下的灾变机理和薄弱部位、预测结构极限承载能力的有效手段,在结构设计与性能评价方面已变得必不可少,高效、稳定、精确的非线性分析理论和求解技术一直是土木工程结构分析领域的研究热点。该文对结构非线性分析的基本发展过程进行了简要回顾,并重点对目前常用的非线性有限元分析方法的基本原理和研究进展进行了综述;围绕土木工程结构,总结了结构非线性分析方法在计算精度、稳定性、效率等方面的若干关键问题及相关研究进展,包括高效非线性分析法-隔离非线性法,并综述了该方法的最新研究进展。

基于Woodbury+OpenMP的结构非线性地震反应并行分析方法

非线性地震反应分析已成为评价工程结构抗震性能的重要技术手段,随着结构规模的增大,非线性引发的大规模刚度矩阵迭代更新成为制约结构分析效率的关键因素。基于Woodbury公式的结构非线性地震反应分析法(Woodbury方法)是一类新型高效数值分析方法,此类方法利用结构在地震作用下的局部非线性特征,能够在保证较高迭代收敛速率的同时有效避免结构刚度矩阵实时变化及由此导致的计算效率低下。然而,当前相关研究均基于串行计算模式,并未充分利用计算硬件的并行计算能力。引入OpenMP模式对Woodbury方法进行并行加速,提出了一种用于结构高效非线性地震反应分析的并行计算方法,该方法首先将每个迭代计算步划分为非线性相关系数矩阵计算更新、基于Woodbury公式的位移响应求解、单元状态确定3个主要计算部分,随后通过建立非线性相关系数矩阵的分块计算方法,将Woodbury公式的计算过程拆解为6个可并行的计算步,对各单元状态进行单独判定,分别建立了适用于三者的OpenMP并行加速策略,实现了算法的全过程并行优化。最后,通过对一个高层结构进行地震反应分析验证了该方法的准确性和高效性。

基于GIS数据与地域性特征的城乡建筑群信息智能获取与抗震性能评估方法研究

我国城乡区域建筑群分布广、体量大,强震作用下结构破坏和倒塌风险高,既有的研究方法无法兼顾县区级别大范围建筑信息获取速度与地震模拟精度。为实现快速准确的城乡建筑群抗震性能评估,提出了结合区域建筑地域性特征与GIS数据的建筑信息智能获取与抗震能力评估方法。通过GIS数据和高分卫星等遥感手段获取县区范围建筑群的屋盖信息、建筑外部尺寸等信息。基于上述信息和具体区域城乡人均GDP、建造风俗等实际特点,建立了基于模糊理论和专家系统的模糊推断模型,确定了建筑结构类型、材料属性、开洞情况等内部信息,并通过数值模拟实现区域建筑群的震害分析。将该方法应用于我国西南地区某县城建筑群的参数获取与震害分析,同时以鲁甸地震某村镇验证了本方法的适用性,结果表明本方法对城乡建筑群的抗震性能评估具有较好的适用性。

摇摆墙刚度对框架摇摆墙结构抗震性能的影响分析

为研究摇摆墙刚度对框架摇摆墙结构抗震性能的影响,对1个4层钢筋混凝土框架结构模型,用有限元软件SAP2000对附加不同刚度的摇摆墙结构进行了静力非线性分析。分析结果表明:随着摇摆墙刚度的增大可以逐渐改善框架的抗震性能,使框架变形更加均匀,层间位移角更趋于一致。但刚度增加到一定程度后,其值进一步增大时结构的抗震性能趋于稳定。对于本文的结构模型摇摆墙与框架的刚度比小于1.27%时,对框架的破坏机制影响很小。摇摆墙的刚度比大于2.48%时,开始改变框架的破坏机制,逐渐从层破坏机制变为整体破坏机制。摇摆墙的刚度比大于6.81%时,结构具有稳定的整体破坏机制。

不同层数框架摇摆墙结构抗震性能研究

为研究框架摇摆墙结构中摇摆墙框架刚度比与结构层数的相关性,本文分别建立了4,6,8层钢筋混凝土框架结构并附加不同刚度的摇摆墙,运用有限元软件SAP2000建模进行静力非线性分析,得到各结构的抗震性能。用结构的位移集中系数变化过程反映结构的破坏模式。分析结果表明:相同刚度比的框架摇摆墙结构随地震力的增加结构位移集中系数的变化趋势基本相同,而与层数无关。摇摆墙刚度比小于1.6%时,对框架的破坏机制影响很小。摇摆墙的刚度比大于2.5%时,开始改变框架的破坏机制,逐渐从层破坏机制变为整体破坏机制。摇摆墙的刚度比大于7%时,结构具有稳定的整体破坏机制。

隔离非线性分层壳有限单元法

分层壳单元由于其模型简单,物理意义清晰,被广泛应用于建筑结构的有限元数值模拟中。该文基于隔离非线性有限元法提出了分层壳单元的高效非线性分析模型,将分层壳单元的截面变形(应变和曲率)分解为线弹性变形和非线性变形,以单元中面的高斯积分点作为非线性变形插值结点,建立了非线性变形场,并根据虚功原理,推导了分层壳单元的隔离非线性控制方程,采用Woodbury公式和组合近似法联合求解控制方程。依据时间复杂度理论的统计分析表明:该文建立的方法相较于传统变刚度有限元方法在非线性分析效率方面具有显著优势。并与有限元软件ANSYS的计算结果进行对比,验证了该文方法的准确性。

框架-摇摆墙结构简化计算方法研究

框架摇摆墙结构依据框架与摇摆墙连接构件的连接属性可以将其分为框架摇摆墙刚接体系和框架摇摆墙铰接体系。为了进一步提高框架摇摆墙结构的工程实用性,本文依据连续化假设及协同工作原理提出了框架摇摆墙铰接体系和框架摇摆墙刚接体系的内力和位移的简化计算方法,以利于框架摇摆墙结构在初步设计阶段的设计分析,并比较了在摇摆墙截面不同情况下结构的内力分布和位移分布。结果表明,框架摇摆墙铰接体系的顶点位移不随摇摆墙刚度的改变而改变,摇摆墙的作用只是平均各层的层间变形,而刚接体系的顶点位移与摇摆墙的刚度有关,刚接连梁的存在可以增加结构的刚度。

一种高效的阻尼器优化设计方法

以隔离非线性方法为基础,并对基于种群的可行性遗传算法进行改进,提出了一种高效的阻尼器优化设计方法。首先基于隔离非线性方法基本思想,分别推导了附加位移型和速度型阻尼器消能减震结构的隔离非线性控制方程;随后,采用基于种群可行性约束优化遗传算法对其中的初始种群生成方法及交叉、变异、选择算子进行改进,以提高算法在可行域边界附近的搜索能力;最后,通过对某钢结构增设金属阻尼器进行工程加固,验证了该方法的准确性和高效性。结果表明:新方法拓展了隔离非线性方法的应用范围,提高了遗传算法在可行域边界附近的搜索能力和设计中的计算效率,是一种高效的阻尼器优化设计方法。

考虑交通阻滞的区域建筑震后功能恢复能力评估

地震作用下基础设施工程的损毁将造成所在区域功能瘫痪,对其功能恢复能力进行准确评估可为救援和重建工作提供重要参考。震后区域建筑功能恢复不仅与建筑物倒塌有关,还依赖于交通系统的阻滞程度,以往针对建筑功能恢复能力评估多集中于量化建筑自身构件的震毁状态和维修费用,尚未考虑交通系统功能修复的影响。该文提出一种可考虑交通阻滞的区域建筑震后功能恢复能力评估方法。通过定义功能损失比,提出建筑震后残余功能计算方法;基于交通链路功能重要度指标,建立同时考虑建筑物破坏和地震次生灾害双因素影响的交通阻滞分析模型。结合交通阻塞度和建筑残余功能定义单体建筑功能恢复时间计算方法,并依据水平串联型恢复路径,建立考虑交通系统功能耦联的区域建筑功能恢复能力评估体系。以某村镇为例进行区域建筑的震后功能恢复能力评估,分析表明文中方法能全面考虑交通功能对区域建筑恢复的影响,结果更为合理、准确。

框架摇摆墙结构受力性能研究

以某六层框架结构作为分析对象,设置不同刚度的摇摆墙,研究加入摇摆墙前后以及摇摆墙刚度大小对结构内力分布及变化规律的影响。分析结果表明:当框架结构层间刚度不均匀时,对摇摆墙的内力分布和结构受力会产生较大的影响,摇摆墙的剪力、弯矩均随地震强度和刚度比的增加而增加,摇摆墙的加入减小了框架部分的地震作用,达到防止出现薄弱层的作用。

基于拟力法的负刚度非线性分析

拟力法是一种高效的结构非线性分析方法,当结构进入非线性状态时,拟力法仅需对一个代表局部塑性且规模较小的矩阵进行迭代运算,从而避免了传统方法对规模较大的整体刚度矩阵的分解运算。拟力法在处理负刚度问题时,结构的非线性特征由局部塑性矩阵集中体现。研究了负刚度条件下拟力法中局部塑性矩阵的正负定特性及条件数与最小特征值等数值特征,得到了第二刚度系数对矩阵数值特征的影响规律,并与传统方法中整体刚度矩阵的相应特征进行了对比分析。结果表明,结构进入负刚度状态时,拟力法中局部塑性矩阵将表现为非正定性,且相比于整体刚度矩阵,数值模拟表明其具有条件数少、数值精度高的特征。最后通过数值算例验证了拟力法在计算负刚度问题的优势与计算能力。

基于子结构的Woodbury非线性分析方法

非线性分析是研究结构性能的重要手段,准确并高效的模拟非线性行为,对评估结构安全性具有重要意义。工程结构材料非线性行为一般仅发生在局部区域,考虑结构的局部非线性特征,往往能有效提高计算效率。Woodbury公式被应用于多种数值算法中来高效地求解局部材料非线性问题,该公式仅需对小规模的Schur补矩阵进行分解,避免了对整体刚度矩阵的分解运算。然而,Schur补矩阵通常不具备稀疏特征,且其阶数与非线性规模相关,因此,当非线性区域较大时,Woodbury公式的高效性受到限制。为此,该文提出了基于子结构的Woodbury非线性分析方法,该方法将Schur补矩阵分解为若干个子矩阵,大幅降低了非线性分析过程中Schur补矩阵的规模。最后将该方法应用于某钢框架结构的动力非线性分析,并从精度和效率两方面与传统Woodbury法做了对比;结果表明:该文方法在保证计算精度的前提下改善了Woodbury公式的计算性能,进一步拓宽了其适用范围。

基于拟力法的增量动力分析方法

增量动力分析(IDA)方法是一种评价结构抗震性能的有效方法,但该方法需对结构进行大量的非线性动力时程分析,计算工作量大,耗时长,特别是在计算大型复杂结构时,此类问题尤为突出。提出一种基于拟力法(FAM)的增量动力分析方法,该方法通过引入附加虚拟荷载项,使得IDA运动方程在进行非线性求解时整体刚度矩阵始终保持不变,在多次调幅地震动激励下,通过存储和调用特定刚度矩阵,实现IDA分析全过程整体刚度矩阵的重复利用,进而提高计算效率。采用时间复杂度评价方法,定量对比了该方法与传统IDA方法的计算效率,并通过对8层钢筋混凝土框架结构分别进行IDA分析,比较了两种方法的计算结果以及时间复杂度,验证了该方法的准确性和高效性。

多边形比例边界有限元非线性高效分析方法

比例边界有限元法作为一种高精度的半解析数值求解方法,特别适合于求解无限域与应力奇异性等问题,多边形比例边界单元在模拟裂纹扩展过程、处理局部网格重剖分等方面相较于有限单元法具有明显优势。目前,比例边界有限元法更多关注的是线弹性问题的求解,而非线性比例边界单元的研究则处于起步阶段。该文将高效的隔离非线性有限元法用于比例边界单元的非线性分析,提出了一种高效的隔离非线性比例边界有限元法。该方法认为每个边界线单元覆盖的区域为相互独立的扇形子单元,其形函数以及应变-位移矩阵可通过半解析的弹性解获得;每个扇形区的非线性应变场通过设置非线性应变插值点来表达,引入非线性本构关系即可实现多边形比例边界单元高效非线性分析。多边形比例边界单元的刚度通过集成每个扇形子单元的刚度获取,扇形子单元的刚度可采用高斯积分方案进行求解,其精度保持不变。由于引入了较多的非线性应变插值点,舒尔补矩阵维数较大,该文采用Woodbury近似法对隔离非线性比例边界单元的控制方程进行求解。该方法对大规模非线性问题的计算具有较高的计算效率,数值算例验证了算法的正确性以及高效性,将该方法进行推广,对实际工程分析具有重要意义。

基于离散宏单元的砌体结构高效非线性分析方法

砌体结构由力学性能不同的块体和砂浆构成,材料的各向异性使结构非线性行为体现出高度复杂性。砌体结构非线性分析模型主要包括分离式和整体式两种:分离式模型将块体、砂浆及二者粘结界面分开建模,可以精细化揭示砌体非线性行为和破坏形态,但非线性分析计算量大,多用于局部构件的细部分析和模拟;整体式模型将块体和砂浆假定为连续的匀质体,建模过程简单、易行,适用于整体结构的宏观分析。无论是分离式还是整体式,结构非线性计算分析中大规模刚度矩阵的实时更新与分解降低了分析效率。该文提出了一种基于整体式空间离散宏单元模型的砌体结构高效非线性分析方法,该方法采用剪切单元模拟砌体墙的斜截面剪切破坏模式,采用无厚界面单元模拟砌体墙的正截面弯曲破坏模式、正截面剪切滑移破坏模式和平面外剪扭破坏模式,进一步将剪切单元等效斜向弹簧的轴向变形和无厚界面单元上下表面的相对变形分解为线弹性和非线性两部分,并引入塑性自由度描述分离出的非线性部分,可将任意时刻的切线刚度矩阵表示为初始弹性刚度矩阵的低秩摄动形式,引入Woodbury公式进行求解,该文方法避免了大规模整体刚度矩阵的迭代更新,非线性分析的主要计算量仅集中于小规模非线性矩阵的更新与分解,显著提升了计算效率。

基于功能需求导向的城市综合体震后修复路径优化方法研究

城市综合体内部功能繁多,强震作用下综合体结构功能失效会影响城市区域功能的正常运转。建筑震后修复期望综合体内部重要功能优先、快速恢复并投入使用,合理规划其震后修复路径是满足此类结构功能需求的关键。既有研究中建筑震后多采取自下而上的修复路径,未考虑震后功能需求。基于此,提出了一种基于功能需求导向的城市综合体震后修复路径优化方法。考虑综合体具有的多功能特性及不同功能区内构件间的功能相关性特点,建立了基于故障树的功能损失分析模型,并以此为基础结合建筑功能区划分功能修复单元;以各功能的期望修复时间作为功能需求目标,对比功能修复单元的实际修复时间,提出功能需求目标完成率指标;在此基础上建立震后修复路径优化模型,结合遗传算法,形成了综合体震后修复路径优化方法。对某城市综合体开展震后修复路径优化,结果表明:所提方法可高效完成功能需求目标,使重要功能震后快速恢复并投入使用。