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结构倒塌分析的最新研究进展:机理、数值模拟和多层级仿真

1月前浏览3661

文一:

用离散元模型分析砌体结构倒塌机理的数值程序

摘要:

历史砖石建筑的地震破坏通常是由单个部分的坍塌引起的,这些部分与结构分离并因倾覆而失效。这些机制主要由块单元的离散性质和几何结构决定。因此,基于显式微观建模的分析越来越重要,在显式微观模型中,每个区块都被单独考虑。本文为砌体结构在准静态或动态荷载下的抗震评估提供了一个稳健的工具。考虑到砌体的实际离散性质和几何形状,开发并描述了通过离散单元法进行动态脉冲和推挤分析的算法。提出了一种自动检测坍塌模式并遵循分析演变直到坍塌的数值程序。所实施的方法能够对预期的破坏机制进行可靠的估计,提供触发运动所需的地震加速度和发生坍塌的极限位移。最后,将所实现的算法应用于两个案例研究,并将结果与基于刚性块运动学的传统分析结果进行比较,以概述所提出方法的特点和潜力。

 

图:用DE模型确定推覆上升分支。

 

图:Pushover上升分支的算法。

 

图:用DE和RB模型确定Pushover软化分支。

 

图:确定 Pushover 分析软化分支中参与机构的质量的算法。

 

图:碎石砌体墙体的不同正弦脉冲分析。A)对所有块施加加速度; b)控制点的位移; c)整个模型的动能; d)控制块的速度。

 

图:摇摆倾覆域的构造。

 

图:通过刚体的运动链确定的倒塌机制。a)单块摆动机制; b)两块摆动机制。

 

图:砌体墙的数值结果和分析模型的比较。a) 无约束模型的DE和RB坍塌机制;b) 顶部约束模型的DE和RB折叠机制;c) 无约束模型的分析和数值容量曲线;d) 顶部约束模型的分析和数值容量曲线;e) 无约束模型的解析和数值倾覆域;f) 顶部约束模型的分析和数值倾覆域。

 

图:圣保罗教堂的渐进式失败模式与顶部遏制。a) 收缩块在Pushover软化分支(a)的开始处、Pushover柔软分支(b)的中间处和收缩配置(c)处以绿色突出显示。

文二:

高效的预应力混凝土框架结构连续倒塌分析数值模型

摘要:

预应力混凝土(PC)框架由于其结构构件的轻质、美观和高阻力,正成为建筑结构的一种有吸引力的解决方案。尽管如此,很少进行实验和数值研究来研究PC框架结构的渐进抗倒塌性能,这是承受极端事件的一个关键能力特征。本文提出了一个PC梁柱组合渐进倒塌分析的数值模型。该模型是在OpenSees有限元软件中开发的,通过纤维梁柱单元模拟框架构件,通过同向特拉斯单元模拟预应力筋(PT),通过零长度单元模拟梁柱节点处的粘结滑移行为,以及通过运动相容性条件模拟钢筋混凝土梁与PT之间的耦合。通过对七个先前测试的子组合在中柱移除下的模拟,验证了所提出的建模方法。数值结果表明,该模型能够令人满意地模拟垂直荷载-位移-下推曲线、水平 反力-位移曲线以及局部行为(如钢筋滑移和断裂)。此外,基于已验证的数值模型进行了参数研究,以分析有效预应力、钢筋-混凝土粘结性能和钢筋束轮廓对PC子组合渐进倒塌性能的影响。

 

图:PC梁柱子组合:(a)实际子组合在中柱拆除和向下荷载作用下的示意图;(b) 有限元模型。

 

图:梁柱界面粘结滑移效应的数值模拟。

 

图:试验的典型预应力试件的尺寸(单位:mm)和配筋细节:(a)USL0.4;(b) ULL0.4;(c) 横截面。

 

图:钢筋混凝土组合结构的数值与试验结果比较: (a)垂直荷载和(b)水平 反力与中节点位移。

 

图:USL0.4试样的变形剖面。

 

图:(a,c,e)垂直荷载和(b,d,f)水平 反力对中节点位移的影响。

文三:

钢筋混凝土结构渐进倒塌分析的高性能数值计算模型

摘要:

尽管在提高计算机能力方面取得了显著进展,但大型钢筋混凝土结构的渐进倒塌分析仍然耗时,甚至不切实际。在这项研究中,提出了一个有效的钢筋混凝土结构渐进倒塌分析的数值模型。可以准确有效地对结构构件的力学行为进行建模的最新进展被纳入钢筋混凝土结构的数值模型中。梁/柱、节点区域和板分别采用增强纤维梁单元、宏观节点模型和分层壳单元进行建模。这样,在钢筋混凝土结构的渐进倒塌分析中,可以考虑梁/柱的剪切破坏、节点的破坏和楼板的阻力贡献。采用本文提出的方法对一个六层钢筋混凝土框架结构进行了建模。分析了在立柱拆除和直接爆炸荷载情况下结构的渐进倒塌。为了进行比较,还采用了其他常用的有限元模型进行数值模拟。在所有模型中,所提出的模型被证明以最小的时间成本产生准确的模拟结果。基于所提出的模型,进行了参数模拟,以研究提高结构抗渐进倒塌能力的有效措施。研究发现,增加梁柱纵向配筋率可以提高悬链线的受力能力,但几乎不能提高压拱的受力。此外,板顶层钢筋网在抵抗钢筋混凝土结构的渐进式倒塌中起着重要作用,在设计时应考虑这一点以抵抗渐进式倒塌。

 

图:所提出的数值模型的层次结构:(a)增强纤维梁单元,(b)宏观节点模型,(c)楼板系统模型,以及(d)所提出的钢筋混凝土结构渐进倒塌的数值模型。

 

图:钢筋混凝土结构的传统框架模型。

 

图:试样S1的有限元模型。

 

图:试样的实验结果和数值结果的比较:(a)施加的载荷与位移的关系和(b)水平 反作用力与位移的变化关系。

 

图:实验与数值结果最终变形状态的比较。

 

图:IMF试样的有限元模型:(a)宏观联合模型和(b)传统模型。

 

图:地板系统模型概述。

 

图:三层钢筋混凝土框架结构的平面图和立面图。

 

图:位移轮廓和时间历史的比较: (a)柱 C1的移除,(b)柱 C2的移除,和(c)柱 B2的移除。

 

图:用 M2计算板的裂缝分布。

 

图:M3与 M4楼板裂缝分布的比较。

 

图:6层钢筋混凝土结构在双柱拆除情况下(0.5 ~ 2.0 s)的倒塌过程。

文四:

既有钢筋混凝土结构地震易损性分析: 梁柱节点倒塌影响的简化数值模型

摘要:

为了评估现有钢筋混凝土建筑的地震易损性,提出了一种考虑梁柱节点剪切倒塌的简化方法。这种坍塌是通过在柱和梁之间引入的连接单元来描述的。为了开发和验证该单元,已经与实验室测试的实验结果和专门用于该检查的二维有限元模型获得的数值结果进行了几次比较。连接单元使用三线性力矩-旋转定律,与意大利和欧洲标准规范兼容,其特征可以通过有限的结构和几何信息(这是旧的现有结构的典型情况)以及标准规范建议进行估计。为了对现有钢筋混凝土框架的抗震能力进行初步评估,考虑到梁柱节点的性能,在佛罗伦萨(意大利)Santa Maria Annunziata医院N.1单元承重结构的一维模型中引入了这种连接单元,并进行了推覆分析。

 

图:N.1单元平面图(cm)。

 

图:(a)用于钢筋混凝土梁柱节点分析的结构方案; (b)有限元网格。

 

图:压应力(N/m2) ,(a)对于情况 A,(b)对于情况 B (柱顶位移10厘米的结果)。

 

图:梁柱节点处的裂缝,(a)对于情况 A,(b)对于情况 B (柱顶位移10厘米的结果)。

文五:

利用倒塌隔震阻止建筑物的破坏传播

摘要:

由于局部初始故障的传播,发生了几起灾难性建筑倒塌,当前的设计方法试图通过改善建筑构件之间的连接来完全防止初始故障后的坍塌。这些措施确保故障部件支撑的荷载重新分配到结构系统的其余部分,然而,增加的连通性可能会导致构件倒塌,从而导致建筑物的某些部分倒塌10。当发生大型初始故障时,这种风险尤其重要,在最灾难性的坍塌中往往是如此在这里,我们提出了一种原始设计方法,以阻止主要初始故障后的坍塌传播。当坍塌开始时,该方法确保特定元素在全局稳定性的最关键组件发生故障之前发生故障。因此,当其传播不可避免时,结构系统会分离成不同的部分并隔离坍塌。通过在一栋专门建造的全尺寸建筑上进行的独特实验测试,证明了该方法的有效性。我们还证明,如果按照当前指南的建议增加连接,大型初始故障将导致测试建筑的完全倒塌。我们提出的方法能够为更具弹性的建筑提供最后一道防线。

 

图:基于层次的塌陷隔离和计算模拟:a、 为基于层次的倒塌隔离优化的部分强度梁柱连接。b、 在失去一根角柱和两根倒数第二根边柱后,为基于层次的倒塌隔离(设计H)而设计的建筑的部分倒塌。c、 常规建筑设计(设计c)在相同的大型初始失效场景后的完全倒塌。

 

图:建筑设计和测试。a、 在不同测试阶段拆除的全尺寸预制混凝土结构和立柱。显示了用于每列的标签。连接不同立柱的梁的位置由二层以上的虚线表示。指出了第二阶段测试中的预期坍塌区域。b、 施工期间放置梁之前的典型首层连接。c、 施工期间预制梁浇筑后的典型二层连接。b和c均显示了两侧(C2、C3、C6、C7、C10和C11)具有两个直预制梁的柱。d、 在测试的第一阶段用于准静态移除两个立柱的装置。e、 在第二阶段测试中,用于动态移除角柱的三铰链机构。

 

图:分割和部分塌陷。a、 测试第2阶段的折叠顺序。b、 拆除三根柱子后,全尺寸试验楼(设计H)部分倒塌。指出了阻止坍塌传播的分段边界。列C9所示的轴对应于f中使用的轴,以指示在该位置测量的结果漂移的变化方向。c、 坍塌边界处的梁柱连接失效。d、 坍塌边界处楼板中钢筋的脱胶。e、 C7列测得的平均轴向应变变化。负变化表示压缩应变的增加。f、 C9处测得的合成漂移幅度。g、 C9处测得的合成漂移方向变化。图中还显示了测试第一阶段后的初始漂移和建筑物直立部分稳定后的残余漂移。

来源:STEM与计算机方法

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首次发布时间:2024-06-13
最近编辑:1月前
江野
博士 等春风得意,等时间嘉许。
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