基于RC框架结构的失效倒塌模式

目前我国存在大量已建非延性钢筋混凝土(RC)框架结构,文章针对这类RC结构在遭受外力作用时的破坏模式进行研究分析。采用拟静力分析方法研究以五层RC框架结构为代表的多层RC结构的失效倒塌模式。研究结果表明基于已有的试验数据采用Open Sees有限元建模验证了针对RC框架结构数值模拟的正确性;表明了RC结构首先在结构底层柱下端塑性铰区出现损伤破坏,且同一楼层边柱塑性铰区较中柱损伤严重,逐渐向顶层塑性铰区发展最终使整体框架结构整体发生破坏直至失效倒塌。     

基于ABAQUS准静态显式分析的RC框架梁柱子结构倒塌模拟

由地震、爆炸、车辆撞击等引发的工程结构连续倒塌将导致严重的后果,受到国内外学者的关注.当前已有大量对RC结构倒塌性能的试验研究,但相关的数值模拟手段仍然有限,存在不足.本文基于ABAQUS/Explicit模块,通过引入延性金属材料的断裂准则,建立了可考虑钢筋断裂的RC框架梁柱子结构的非线性有限元模型.在模型调整过程中,对比分析了网格划分方式、混凝土受压本构、加载速度以及约束弹簧刚度等非试件设计因素对计算结果的影响.结合已有试验研究,对所建立的模型进行了验证.结果表明:有限元模型的荷载-挠度及水平反力-挠度计算曲线与试验结果吻合良好;该模型能够捕捉RC框架梁柱子结构在中柱失效工况下倒塌行为的主要特征,如压拱效应、悬链效应、钢筋断裂等.此外,研究了钢筋屈服后的极限强度以及极限应变对倒塌性能的影响.发现两者均对悬链阶段的力学性能产生明显影响,尤其是改变钢材的极限强度.     

双向往复加载下钢筋混凝土柱破坏过程的数值模拟

目的为准确地模拟双向往复加载下钢筋混凝土柱构件的非线性及断裂破坏行为,实现钢筋混凝土框架结构强震作用下的倒塌破坏全过程仿真分析.方法基于通用有限元软件ABAQUS的显式求解模块,研究了钢筋混凝土梁柱构件纤维梁单元的构型及单元消除技术,构建了包含材料破坏准则的钢筋、混凝土单轴本构关系,利用用户材料接口VUMAT编制了相应的计算子程序,并模拟了钢筋混凝土柱构件在单、双向水平往复荷载作用下的非线性性能发展以及断裂破坏过程.结果在加载幅值较小时,计算结果能够准确模拟双向往复加载下钢筋混凝土柱的承载力与刚度变化、滞回捏拢行为以及双向弯曲耦合效应.在水平位移加载幅值分别达到45 mm、90 mm、165 mm时,构件中的保护层混凝土、核心混凝土、钢筋完全破坏,构件断裂.而单向加载构件的水平位移加载幅值达到285 mm时,构件才发生断裂破坏.结论计算结果与试验结果吻合良好.笔者方法能够较为准确地模拟钢筋混凝土柱在双向弯曲荷载作用下的非线性及断裂破坏过程.双向弯曲耦合作用严重降低了钢筋混凝土柱的承载能力及耗能性能.研究成果可用于钢筋混凝土框架结构在强震下的倒塌过程模拟分析.     

空间钢框架连续倒塌拟静力试验

为考察钢框架结构中一根框架柱失效后,剩余结构在倒塌过程中的受力和变形情况,采用MTS和千斤顶配合的方法对二层空间钢框架结构进行了拟静力试验。试验结果显示,在倒塌过程中,框架梁的受力方式从受弯为主向受拉为主转变,当竖向位移达到200 mm时,失效区域部分框架梁全截面受拉;当竖向位移接近250 mm时,梁柱连接节点处焊缝发生断裂。目前应用比较广泛的H型钢全焊接刚性连接节点延性不够好,在梁形成明显的悬链线效应之前即发生破坏。采用显式动力法以准静态的加载方式对试验过程进行了模拟,建议在对含有H型钢全焊接刚性连接节点的钢框架结构进行连续倒塌分析时,采用较精确的节点模型以真实反应节点的受力。     

基于OpenSees的填充墙RC框架结构数值模型

基于Open Sees软件建立填充墙RC框架结构数值模型,钢筋混凝土梁柱单元采用集中塑性单元,其中梁柱中部采用弹性梁柱单元,梁柱端部采用零长度弹簧单元来模拟塑性铰,采用改进的Ibarra-Medina-Krawinkler退化模型模拟塑性铰的非线性,采用两对等效角撑模型(仅受压)模拟填充墙,采用Ibarra-Medina-Krawinkler退化模型模拟填充墙的非线性,建立了填充墙RC框架结构的非线性数值模型,与单层单跨填充墙RC框架试件的低周反复加载试验结果进行对比分析,验证了建立的填充墙RC框架结构数值模型的正确性,为建立填充墙RC框架结构的抗地震倒塌能力评估研究奠定基础。     

基于承载力预压装配式框架结构的鲁棒性

结构鲁棒性是指建筑结构承受局部损伤和防止结构发生连续倒塌的能力。为揭示预压装配式框架结构鲁棒性优劣,利用SAP2000软件考虑节点半刚性建立预压装配式框架结构（Prestressed Concrete Structure, PC结构）及现浇结构（Reinforce Concrete Structure, RC结构）模型,基于抽柱法模拟四种工况：角柱、长边中柱、短边中柱和框架中柱失效,采用非线性静力分析方法,从承载力变化情况及抗倒塌机制等方面对比不同失效位置工况下PC结构和RC结构抗竖向连续倒塌的性能,以此研究PC结构的鲁棒性。结果表明：PC结构和RC结构倒塌模式相似：角柱、长边中柱均为梁机制,而短边中柱、框架中柱均为悬链线机制;PC结构各工况倒塌时的竖向位移均大于RC结构,延性更好;受其节点连接刚度的影响,PC结构鲁棒性系数（3.197）略小于RC结构（3.257）,因此通过增强PC结构节点连接的刚度,可改善结构构件的鲁棒性。     

基于柔度法单元的钢框架结构连续倒塌分析

基于柔度法理论,运用OpenSees软件对钢框架结构的连续倒塌进行了全过程模拟分析,并采用柔度法单元对梁柱构件进行四段式划分,以实现对构件断裂的模拟.采用抽柱法,给出了结构连续倒塌的动力计算流程.以2个6层平面钢框架为数值算例,分析了结构失效点位移时程、构件塑性铰与断裂顺序,发现失效柱两侧的梁端部首先出现塑性铰,梁端断裂是框架发生整体倒塌的主要原因.最后通过与ABAQUS壳元分析结果及钢框架倒塌试验结果对比,验证了该方法的可行性与正确性,可在实际工程中应用.     

基于连续倒塌的梁纵筋拉结锚固性能数值模拟

研究在悬索作用下梁中受力钢筋与混凝土之间的粘结锚固性能,为今后的RC框架结构抗连续倒塌设计提供参考。本文的数值分析模型是由钢筋混凝土柱和锚固钢筋组成,采用通用有限元分析软件ABAQUS,对模型中的锚固钢筋进行竖向向下位移加载,同时考虑锚固钢筋排数和根数、锚固长度及轴压比对粘结锚固性能的影响。数值分析结果表明:锚固钢筋与混凝土之间的粘结锚固破坏主要是由混凝土受拉破坏导致;锚固钢筋排数以及在同排下锚固钢筋根数的增加会降低粘结力;增加锚固长度对于提高粘结力是有利的;增加轴压比并没有提高粘结力。因此,在满足RC框架结构的强度条件下,为了提高结构的抗倒塌能力,锚固钢筋尽量采用单排布置,在同排下尽量减少钢筋根数以及增加锚固长度。     

全装配式延性节点混凝土框架子结构 抗连续倒塌试验研究

为研究全装配式干节点连接的钢筋混凝土框架结构的抗连续倒塌性能,采用1/2缩尺比例设计了两榀全装配式(PC)试件进行静载试验研究.其中装配式结构在梁柱节点处采用高强螺栓-延性杆-锚固板的连接方式,其中PC1试件未设置牛腿,PC2试件采用暗牛腿,另外结合一榀本团队开展的现浇框架结构RC试件进行对比研究.对两个试件分别进行了中柱移除状态下的竖向加载拟静力试验,并对加载过程中测试所获得的结构极限承载力、应变响应、变形性能及失效破坏模式依次进行了分析.试验结果表明,与RC试件中既存在压拱效应又存在悬链线效应相比,两个PC试件中只存在压拱效应阶段,表明该类型全装配式结构的抗倒塌能力相对不足.同时PC1和PC2试件的极限承载力分别为RC试件在压拱效应阶段峰值荷载的95%和123%,相应的极限位移仅为RC试件的48%和61%.试验过程中,PC试件的受力及变形区域则主要集中在节点连接处,其材料利用率相对有限,PC试件则因节点区域内延性杆与锚固板连接处发生断裂而失效.     

蒸压粉煤灰砌体墙片的非线性性能模拟

为了研究适用蒸压粉煤灰砌体模拟的损伤塑性模型,确定使用损伤塑性模型模拟时的参数设置,基于ABAQUS的损伤塑性本构(CDP)模拟了5片蒸压粉煤灰砌体墙片的加载试验。通过骨架曲线模拟值与试验值对比,验证了损伤塑性模型模拟的可靠性。同时进行了参数分析,比较了不同砂浆强度、不同竖向压应力时砌体墙片的非线性性能。结果表明,基于ABAQUS的损伤塑性模型能够较为准确模拟蒸压粉煤灰砌体墙片在外力作用下的非线性性能特征,砂浆强度、竖向压应力对墙片非线性性能影响显著。     

钢筋混凝土框架单元延性和锚固钢筋粘性滑移性能的试验研究

本文根据四榀钢筋混凝土门式刚架不变竖向加载和单调水平加载的试验结果,讨论了截面曲率廷性、框架单元位移延性和影响框架单元延性的一些因素。此外,为确定钢筋混凝土框架全过程分析的计算模型提供依据,还对锚固钢筋粘结滑移在加载过程中的增长规律进行了研究。     

钢框架结构抗连续性倒塌性能试验研究

为了研究钢框架结构在中柱失效工况下的抗连续性倒塌性能,进行缩尺比为1∶3的单层三维钢框架结构准静态连续性倒塌试验.采用备用荷载路径法,对中柱施加竖向集中荷载直至结构体系发生钢材断裂等严重破坏,以模拟结构的倒塌过程.观测结构失效模式以及分析中柱竖向位移与所施加集中荷载的关系,研究结构体系的抗连续性倒塌性能.利用试验数据探讨2种抗连续性倒塌力学机制,即弯曲效应和悬链线效应对钢框架结构鲁棒性的贡献.试验结果表明,结构体系表现出良好的延性和较高的承载力,在中柱突然失效的情况下并没有发生连续性倒塌的风险.在加载初期,弯曲效应是结构抵抗连续性倒塌的主要力学机制;尽管随着中柱竖向位移的增大,悬链线效应对结构竖向抗力的贡献逐渐增大,并在加载后期超越弯曲效应,成为主要的抗连续性倒塌力学机制,但是弯曲效应对结构的抗倒塌能力的贡献始终显著.此外,梁柱节点形式对弯曲效应和悬链线效应的发展具有决定性作用.     

单调荷载下钢材延性断裂损伤因子模型及参数校准

为提高钢材断裂模型的通用性和实时性,采用延性损伤因子概念,分别建立了基于VGM的VGM-DDF断裂模型和基于Johnson-Cook的JC-DDF断裂模型.结合不同槽口半径光滑圆棒试件的单向拉伸试验和有限元分析,研究了不同试件加载过程中应力三轴度和等效塑性应变的关系,并对国产Q235钢在单调荷载下延性断裂损伤因子模型参数进行了校准.采用校准后的断裂模型计算了各试件断裂损伤因子值,利用Abaqus软件对钢材断裂进行全过程模拟,并对不同的单元网格尺寸模型进行分析.结果表明:损伤因子模型的有效性得到验证,且JC-DDF模型离散性更小;断裂后荷载位移模拟曲线与试验曲线具有较好的吻合度;有限元单元网格尺寸影响断裂预测精度,并建议网格尺寸取0.25 mm.     

钢管混凝土组合框架抗连续倒塌鲁棒性初步分析

为研究钢管混凝土框架结构的竖向连续倒塌易损性,设计了一个8层4×4 跨钢管混凝土柱-钢梁空间框架,利用有限元软件ABAQUS,采用静力加载方法,对原结构及拆除各底层柱后的剩余结构进行模拟研究;在已有改进后的两种基于构件重要性的易损性分析方法的基础上,分别计算结构构件的重要性系数;并计算了双柱失效工况下结构的鲁棒性系数,分析了该类结构的竖向鲁棒性.结果表明:两种方法计算结果相近,构件重要性系数的变化趋势一致;外荷载的增加与结构鲁棒性呈负相关,角柱相对边柱和中柱较为重要;角柱与边柱同时失效时,结构发生倒塌的几率大大提升.实际中可采用备用荷载路径的方法对重要性系数较大的构件进行低易损性设计.     

钢筋混凝土框架梁柱子结构抗连续倒塌动力分析

为了研究钢筋混凝土(RC)框架梁柱子结构的动力抗连续倒塌性能。通过有限元软件建立的精细化模型对两榀中柱移除的RC框架梁柱子结构静力试验进行了数值模拟。从数值模拟获取的荷载-位移曲线及破坏模态与静力试验结果对比基本吻合,能够较好地预测RC框架梁柱子结构在中柱失效后破坏的全过程。通过采用瞬间去柱的加载方式,在验证完成的RC框架梁柱子结构精细化模型基础上进行动力响应分析,并基于能量法进一步研究了结构的动力性能。研究表明:在荷载达到第一峰值荷载之前,在相同位移下采用有限元分析得出的动力抗力要高于能量法分析所得结果,但更接近实际情况。     

基于ABAQUS的RC框架节点的有限元分析

文章应用有限元分析软件ABAQUS,采用混凝土损伤塑性模型对钢筋混凝土框架节点的性能进行了非线性有限元分析,其中混凝土与钢筋分别采用实体单元与桁架单元进行分离式建模,并使用Embed技术进行自由度的耦合。将试验结果与有限元分析进行对比,结果表明梁柱节点自由端在竖向单调加载作用下的荷载位移曲线与试验结果比较吻合,计算的变形模式同试件破坏形态一致。文中采用参数分析,探讨了混凝土膨胀角、黏性系数及损伤因子对计算结果的影响,为实际工程中的节点设计提供试验与理论依据。     

半刚接钢框架结构抗竖向连续倒塌动力响应分析

基于向量式有限元建立半刚接钢框架结构模型,考虑初始变形,采用将构件拆除前后的静力分析和动力分析全过程统一的瞬时卸载法．通过对一平面半刚接钢框架结构进行动力非线性分析,研究底层不同柱失效后剩余结构抗竖向连续倒塌动力响应,对比不同节点转动刚度对钢框架结构抗倒塌性能的影响．结果表明,节点转动刚度对钢框架结构抗竖向连续倒塌影响较大,因此在研究钢框架结构抗竖向连续倒塌时有必要考虑梁柱真实连接刚度．     

钢筋混凝土框架结构连续倒塌数值分析

目的研究钢筋混凝土框架结构在地震作用下的连续性倒塌破坏机理,完善结构抗连续性倒塌的设计方法.方法采用建立的钢筋混凝土构件本构模型,对构件整体式建模,最终建立了8层空间框架结构模型.选取合适的构件破坏准则,对钢筋混凝土框架结构进行了地震作用下的连续性倒塌破坏全过程分析,分析了结构位移、弯矩等受力特性,探讨了构件破坏后的传力路径和结构连续倒塌破坏机理.结果框架结构中构件的破坏,一般始于框架梁的竖向大变形,完全倒塌的主要原因是总应变能的累积;结构首层是发生破坏的集中区域,当破坏范围自首层传至2层中跨后,结构将在短时间内完全倒塌;随着构件计算模型中捏缩效应系数的增大,框架结构整体破坏时间呈现先增大后减小的趋势;考虑计算模型中的峰值后强度退化段后,结构完全破坏的时间将会提前.结论"强柱弱梁"的受力机制有利于结构抵御连续倒塌;框架结构的首层是倒塌破坏的薄弱层;合理控制结构构件的剪跨比,可以提高结构整体的延性;若不考虑计算模型中的峰值后强度退化段,将会高估结构的抗连续倒塌能力.     

基于钢筋低周疲劳的桥墩地震易损性分析

基于Coffin-Manson钢筋疲劳损伤模型,采用非线性纤维梁柱单元,对纵筋采用HRB335和HRB500E的圆柱形桥墩拟静力试验进行数值模拟,研究拟静力作用下低周疲劳对钢筋和构件承载力退化的影响.为了进一步研究钢筋低周疲劳对试件累积损伤的影响,将Takemura和Kunnath提出的两组不同加载模式下的拟静力试验进行数值模拟.结果表明:基于Coffin-Manson模型,采用纤维单元,在材料层面上考虑钢筋的低周疲劳,可以较好地模拟试件在不同加载模式下的累积损伤和承载力退化.     

钢筋混凝土柱动态加载试验及数值模拟

为研究不同加载路径和加载速率下钢筋混凝土柱式构件的力学性能,对4组钢筋混凝土柱进行了不同加载路径下的慢速和快速加载试验,并基于OpenSees软件对试验结果进行了数值模拟.结果表明:快速加载下试件承载能力高于慢速加载,但试件延性降低;相较于单向加载,双向加载下试件刚度、强度退化加剧,试件卸载、再加载刚度均有不同程度降低,变形能力下降;双向加载时,十字形加载路径对试件力学性能影响较弱,菱形加载路径下试件延性降低幅度最大,强度、刚度退化最为迅速,试件力学性能受加载速率影响也最为显著;钢筋应变率随其所处位置距试件底部距离的增加逐渐降低,应变率最大值发生在塑性铰区域内;本文基于OpenSees中的集中塑性铰梁单元,采用Scott等改进后的Kent-Park混凝土本构模型和Mohle-Kunnath钢筋本构模型,并考虑材料的应变率效应建立的计算模型可有效模拟钢筋混凝土柱在不同加载速率下的主要动态力学性能.