考虑局部屈曲加劲钢箱形构件极限承载力的纤维梁柱模型

大型桥梁加劲钢箱形构件的极限承载力会受到板件局部稳定性能的影响,而目前尚缺乏成熟的可直接计入局部屈曲的高效计算模型。归纳总结国内外钢构件计算方法对局部屈曲的处理方式,明确以有效应力法即采用板件(或加劲板)平均受压应力-应变曲线简化局部屈曲效应的研究思路。通过有限元程序ANSYS二次开发钢板拉压非对称本构模型,提出一种可直接计入局部屈曲的纤维梁柱模型。材料本构模型中受压应力-应变曲线通过小型的加劲板板壳模型得到,且全面考虑了焊接残余应力与几何缺陷。搜集已开展的钢箱梁、钢桥塔及钢拱肋的稳定性试验,采用提出的纤维梁柱模型、板壳模型与传统弹塑性梁柱模型进行分析,展示截面纤维划分策略,验证文中纤维梁柱模型的可靠性与高效性;通过设置不同的缺陷参数,探讨缺陷水平与局部屈曲对各个构件极限承载力的影响。研究表明,随着缺陷水平的严重,局部屈曲会显著降低极限承载力,提出的纤维梁柱单元模型能够有效地预测加劲钢箱形构件的极限承载力,具有较广泛的应用前景。

常规混凝土框剪结构连续倒塌动力响应分析

多高层办公建筑主要采用混凝土框剪结构,其在局部结构构件失效下的整体结构连续倒塌可能引发严重的经济损失和社会影响。该文针对常规结构布置的典型框剪结构开展了动力连续倒塌分析,总结其规律为结构毁伤下的连续倒塌快速评估提供依据。主要工作包括:按照不同抗震设防烈度、跨度、层数设计了18个典型结构布置的框剪结构,并采用纤维梁单元和分层壳单元建立了整体结构的数值模型库;采用非线性动力拆除构件法对整体结构开展了计算分析,获得结构系统在局部构件失效下的动力响应;对比分析不同结构的连续倒塌动力响应,研究不同参数对连续倒塌后果的影响。

廊桥壁式桥墩的数值分析模型对比研究

以一座梁式廊桥的壁式桥墩为例,基于有限元分析软件OpenSees,分别采用分层壳单元和纤维梁单元对其进行弱轴方向上的低周反复加载下的数值分析,对比研究了2种数值模型的滞回曲线和骨架曲线,并在位移延性比的基础上,给出了壁式桥墩各破坏状态的指标临界值。结果表明:分层壳单元模型和纤维梁单元模型均能很好地模拟壁式桥墩的承载力变化、剪切效应以及损伤累积,但前者可以更明确地表征不同侧向荷载加载方式下局部位置的抗震性能。同一损伤状态下,分层壳单元模型和纤维梁单元模型得出的壁式桥墩位移延性比差异较小。文中壁式桥墩基于位移延性比的损伤状态划分的临界值,可分别取为0.27,1.00,2.33,5.33,验证了采用普通柱式桥墩的损伤状态极限值作为壁式桥墩的各面外损伤指标值的可行性。

混凝土结构抗震非线性分析模型、方法及算例

结构在大震作用下会进入非线性并产生损伤,准确预测地震荷载下钢筋混凝土结构的非线性行为,对评估混凝土结构的抗震安全性具有重要意义。清华大学土木工程系近年来开发的适用于钢筋混凝土杆系结构的纤维模型THUFIBER程序,适用于预应力混凝土杆系结构的纤维模型NAT-PPC程序,以及适用于剪力墙结构的分层壳墙元模型的非线性分析程序。这些程序可以直接将构件的非线性节点力(轴力、剪力和弯矩)、节点变形(平动和转动)和材料的非线性应力-应变行为联系起来,可以模拟各种复杂受力构件的滞回行为和轴力-双向弯曲-剪切耦合行为,借助通用有限元程序方便的前后处理功能和非线性计算功能,该程序可以准确模拟地震作用下结构的三维非线性地震响应,也可模拟爆炸、倒塌等极端非线性行为,通过一系列的数值分析与试验结果的对比和工程应用算例,说明所研发程序的精度和计算能力。

基于分层壳单元与纤维梁单元组合剪力墙滞回性能分析

为系统研究带边框组合柱剪力墙组合结构的抗震性能,基于分层壳单元与非线性纤维梁单元,在ABAQUS软件中进行用户材料模型子程序二次开发。用分层壳单元模拟剪力墙,纤维梁单元模拟外围组合框架,分别对钢管混凝土组合框架、带钢管混凝土边框柱及型钢混凝土边框柱的组合剪力墙进行低周往复加载试验数值模拟。计算、试验结果总体吻合较好。在此基础上,对比分析该类组合剪力墙滞回性能、受力特征及破坏特征,数值模拟获得墙板在典型时刻的裂缝分布等与实测结果接近。研究表明,采用分层壳单元与纤维梁单元能较准确、有效模拟带边框柱组合剪力墙体系的滞回性能,亦能较好描述剪力墙裂缝发展情况。该方法可为实现高层建筑钢与混凝土混合结构体系抗震性能有效、准确的数值模拟分析提供参考。

火灾下基于纤维梁和分层壳模型的结构破坏机制分析

为分析混凝土空间框架结构在火灾下的反应规律及其破坏机理,基于已建立的纤维梁单元和混凝土分层壳单元的火灾破坏数值模型,通过在截面层次上来考虑构件截面的不均匀温度场分布及其材料非线性和几何非线性,并引入纤维梁单元截面形心结点与分层板壳单元结点的偏离以及位移协调条件来建立两者的连接模型,从而实现考虑楼板作用的整体结构火灾反应分析模型.最后,运用建立的模型对两个多层框架进行了火灾反应分析,分析了楼板和梁柱的相互作用规律及其破坏机制.结果表明,纤维梁单元模型和分层壳模型能够用于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.

Bragg光纤与集成光子器件的耦合研究

基于三维有限元束传播法(FEBPM)对Bragg光纤与光子集成器件的耦合进行了定量分析,研究并获得了Bragg光纤的层数、纤芯半径以及光纤与器件之间空气间隙对耦合效率的影响。结果表明,空气芯型Bragg光纤与光子集成器件耦合可以实现最低小于1.2d B的耦合损耗。

节点刚度对凯威特型单层球面网壳内力的影响

节点刚度是影响单层球面网壳内力的重要因素之一。采用空间梁单元有限元法,对凯威特型单层球面网壳进行杆件内力计算分析,引入α系数模拟球节点的刚性反应,得出了单层球面网壳由刚性连接到趋于柔性连接整个过程的内力变化规律;同时,针对不同的矢高、荷载,研究其对单层球面网壳杆件内力的影响,可为单层球面网壳的优化设计提供一定的参考。

钢管混凝土组合框架结构体系抗震性能的增量动力分析法

基于有限元软件ABAQUS用户材料模型子程序二次开发技术,建立了钢管混凝土组合框架体系的数值模拟模型,该模型得到了以往研究者完成的钢管混凝土构件及组合框架结构低周往复荷载试验结果的验证。分别基于非线性纤维梁单元及分层壳单元模拟梁柱构件及楼板,用增量动力分析(IDA)方法对某9层钢管混凝土空间框架结构的抗震性能进行了研究,对某一地震动下结构由弹性阶段到屈服再到塑性阶段过程中的性能点、层间位移角、结构顶层谱加速度时程响应、框架塑性铰出铰顺序及基底剪力时程曲线进行了判定,为进一步评估钢管混凝土空间框架结构的抗震性能提供参考。

高烈度区既有RC框架-剪力墙结构抗震加固易损性分析

大量既有高层建筑采用了RC框架-剪力墙结构体系,当其面临加固改造时,合理评估其抗震性能十分重要。围绕既有RC框架-剪力墙结构的混合抗震加固方案对结构抗震性能和抗倒塌能力提升的定量分析展开研究。首先,针对某酒店式公寓的加固改造工程,设计了粘贴碳纤维布和外包钢板的混合抗震加固方案。然后,基于纤维单元、分层壳单元以及GPU/CPU并行运算技术,对加固前后结构抗震性能和可恢复性能进行了评估。最后,开展了易损性分析,定量评价了结构加固前后的抗倒塌能力,并对比了近、远场地震动记录对结构抗倒塌能力评价结果的影响。结果表明:PGA=1g时,加固后可使得既有RC框架-剪力墙结构在近场地震、远场作用下的倒塌概率分别下降至9.09%,2.27%,分别为加固前的1/4.63,1/4。

钢管混凝土框架-核心筒混合结构连续倒塌非线性动力分析

为研究钢管混凝土框架-核心筒混合结构在局部构件失效后的连续倒塌机制,基于ABAQUS纤维梁单元和分层壳单元,采用课题组开发的材料本构子程序iFiberLUT,进行了一栋33层钢管混凝土框架-核心筒混合结构在1、17、33层柱和核心筒墙体失效工况下的连续倒塌非线性动力分析,研究了典型柱和剪力墙失效后剩余结构的抗连续倒塌机制。结果表明:33层构件失效时上部节点位移反应最大,17层次之,1层最小,相比核心筒墙体失效,柱失效时上部节点竖向位移更大,震荡更明显;各工况作用对核心筒影响均较小,且核心筒的存在增强了楼板的薄膜效应,提高了结构抗倒塌能力,失效位置距核心筒越近提高越显著;典型构件失效后结构的传力路径遵循“就近原则”向周围构件传递,楼板和核心筒有力的提高了结构的冗余传递路径和整体性。

冷却塔高卸荷槽切口爆破拆除倒塌受力破坏过程研究

结合数值仿真结果和大量工程实践摄影资料,对冷却塔高卸荷槽切口爆破拆除倒塌受力破坏机理进行了分析。研究结果表明:冷却塔高卸荷槽切口爆破拆除倒塌过程可分为爆破切口形成、定向偏转下坐切口闭合、塔体初始触地高卸荷槽切口变形破坏、塔体二次变形破坏和塔体随机解体塌落触地5个阶段。爆破切口形成后,保留支撑人字柱临时中性轴形成,在冷却塔定向偏转过程中中性轴逐渐后移,人字柱在轴力、弯矩、剪力和扭矩的共同作用下发生稳定失效、破坏且各对人字柱左右柱受力存在明显差异。塔体的变形破坏由高卸荷槽切口压屈剪切破坏向塔体拉伸挤压力与触地冲击作用反力共同作用破坏或塔体拉伸挤压破坏转变,这与冷却塔结构质量优劣、卸荷槽高度、结构不对称受力等因素有着重要关系。

复合材料薄壁管准静态压溃精确建模及分析

与传统金属结构相比,碳纤维增强复合材料是一种具有很强设计性的吸能材料。由于其各向异性的材料性质,精确建模对结构设计具有重要影响。根据碳纤维增强复合材料薄壁管的多层结构特征,建立两层壳单元分析模型,对基于T700纤和QY8911树脂的复合材料薄壁管进行轴向准静态压溃仿真分析,并与试验数据进行对比,研究复合材料管的压溃失效方式和有限元建模方法的可信性。结果表明,基于Hashin失效准则的两层壳单元模型能够有效地反映出复合材料管的压溃失效机制和吸能特性。接着,研究了圆锥形复合材料薄壁管的压溃吸能特性,分析了复合材料截面形状对压溃失效方式的影响,证实了圆管具有较为稳定的失效模式和较好的吸能特性。

基于OpenSees的巨型SRC柱低周反复试验数值分析

为研究巨型SRC柱抗震性能的数值模拟方法,本文基于有限元分析软件OpenSees,采用纤维单元模拟5根具有不同复杂截面型钢形式的巨型SRC柱试件的低周反复加载试验,并与试验滞回曲线以及骨架曲线进行对比分析。结果表明,该基于纤维单元的有限元模型能够较好模拟巨型SRC柱试件的滞回反应,具有一定的合理性和可靠性。同时采用一种新型高性能分层壳单元对其中一根巨型SRC柱试件进行精细有限元建模分析,分析结果与试验结果对比表明分层壳能够较好地模拟试件的初始刚度和峰值承载力;与纤维单元模拟结果对比表明纤维单元能够更好地模拟试件承载力的下降,结果更加精确,且计算效率更高;新型高性能壳单元DKGQ能够弥补原有壳单元的不足,更好地模拟构件因混凝土大量开裂剥落导致的承载力下降。

钢混本构模型及其在拆除爆破中的应用

为提高拆除爆破的精确性、可控性和可预测性,理论分析钢筋混凝土力学行为,建立钢筋混凝土本构关系计算方法,借助各向同性弹塑性模型,构建综合考虑配筋率对钢筋混凝土开裂载荷的影响、钢筋混凝土拉压损伤、受拉刚化效应、受压箍筋约束效应、应变率效应以及塑性应变失效准则的钢筋混凝土本构模型。在试验验证的基础上,基于纤维梁、分层壳单元和钢筋混凝土本构模型,对某一冷却塔爆破拆除预处理稳定性与倒塌过程进行数值模拟,数值模拟结果较好地吻合了实际结果。研究结果为钢混本构模型在拆除爆破中的应用提供了理论依据。

框架-核心筒高层混合结构的三维空间弹塑性抗震分析

准确预测结构在强震作用下的非线性行为,对评估结构抗震设计的安全性具有重要意义。在总结了现有的结构弹塑性分析模型基础上,以通用有限元程序MSC.MARC为平台开发了一系列新的结构弹塑性分析模型。通过对试验的模拟,表明这些模型可以直接将构件的非线性节点力(轴力、剪力和弯矩)、节点变形(平动和转动)和材料的非线性应力-应变行为联系起来,能够较好地模拟各种复杂受力构件的滞回行为和轴力-双向弯曲-剪切耦合行为。同时,借助通用有限元程序的前后处理功能和非线性计算功能,这些模型可以细致地模拟地震作用下整体结构的三维非线性地震响应。利用所开发的分析模型,对一个复杂框架-核心筒高层混合结构实际工程进行了弹塑性动力时程分析,较好的模拟了该工程结构在地震作用下的复杂抗震行为,并根据不同强度地震作用下的分析结果,说明该工程外框架与4个子筒组成的核心筒可组成有效的双重抗震结构体系,并具有连梁、子筒和外框架三道抗震防线,为工程抗震设计提供依据。

混凝土框架结构火灾连续倒塌数值分析模型

连续倒塌是整体结构的力学行为,为了研究火灾作用下混凝土框架结构整体抗倒塌性能,建立了用于分析钢筋混凝土构件火灾反应的杆系纤维梁模型和板构件的分层壳模型。在构件层次,模型将各积分点的截面划分为若干纤维(层),纤维(层)被赋予不同的材料属性以考虑钢筋和混凝土的贡献,并通过平截面假定来定义构件变形和纤维(层)应变之间的协调关系;在材料层次,模型将温度-应力路径离散为若干加载步,然后在每个加载步内计算纤维(层)在温度和应力耦合作用下的各种应变分量。通过与一系列试验对比,说明了该模型在模拟混凝土梁、柱和楼板时的准确性和高效性。为了模拟整体结构倒塌过程中的不连续位移场,在模型中引入了构件破坏准则和单元生死技术,可以考虑构件破坏造成的内力重分布对整体结构力学响应的影响。最后,通过一个整体框架结构的火灾倒塌模拟,分析其连续倒塌过程和机理。

某超高层混凝土结构火灾作用下的力学响应分析

火灾是高层建筑安全的主要威胁之一。建筑物在火灾作用下的力学响应是整体结构的行为,其主要特点是结构系统内受火区域子结构的刚度和承载力随火灾的发展而变化,进而引起结构体系内的内力重分布。目前,针对高层结构构件的抗火性能已有相关研究开展,而对于高层混凝土结构的整体抗火性能方面的研究还并不多见。该文采用考虑高温作用的纤维梁和分层壳模型,对某超高层建筑结构进行了整体结构的抗火分析。通过模拟超高层结构不同部位在标准升温曲线作用下的整体结构响应,比较分析了火灾作用下超高层结构的抗火性能。最后,采用Pushdown方法分析了火灾作用下结构的抗倒塌性能。

预应力混杂碳/玻璃(C/G)纤维布加固RC梁的应力重分布

基于实体退化单元,对钢筋混凝土(RC)梁和混杂碳/玻璃(C/G)纤维布采用分层壳元模型,对纵向受力钢筋采用组合壳元模型,模拟了混杂C/G纤维布的预应力作用,建立了预应力混杂C/G纤维布加固RC梁的非线性层壳组合单元模型,采用弥散裂缝模式、Ottosen屈服准则和Hinton压碎准则描述了加固梁的开裂、屈服和压碎的材料非线性效应,分析了破坏全过程中加固梁挠度变化规律、刚度折减规律、极限承载力与混杂C/G纤维布应力重分布。计算结果表明:非线性层壳组合单元分析方法可靠,加固梁的特征荷载计算值与试验值的相对误差不超过10%,且非线性层壳组合单元具有较好的收敛性和数值稳定性;在加固梁达到开裂荷载前,混杂C/G纤维布的应力重分布系数变化较小,开裂荷载时为1.3,其后应力重分布系数逐渐增大,屈服荷载时为4.1,极限荷载时为14.8;采用普通C/G纤维布加固时,纤维布高强性能未充分发挥,利用率约为83%,采用预应力C/G纤维布能改善梁的结构体系,能使得材料充分发挥作用,利用率超过90%。

某八层混凝土框架结构火灾连续倒塌模拟

为了模拟火灾下结构倒塌破坏行为,需要开发能够反映结构火灾整体行为的高效数值模型。该文基于纤维梁模型和分层壳模型开发了混凝土框架火灾倒塌分析程序,对程序中采用的材料高温力学模型进行了分析与检验,并通过对构件抗火性能试验的模拟验证了程序的计算精度。最后,该文利用该倒塌分析程序对一个八层框架结构的火灾倒塌过程进行了模拟,分析了结构在火灾下的倒塌机理。