纤维墙元模型在剪力墙结构非线性分析中的应用

钢筋混凝土剪力墙是目前高层与超高层建筑中最主要的抗侧力构件，本文在对已有的微观及宏观计算模型进行比较的基础上，基于纤维模型概念，建立了便于高层剪力墙结构非线性分析应用的纤维墙元模型，即由承受轴力及弯矩的纤维子单元与承受剪切变形的剪切子单元相合成的墙元计算模型；同时，对该模型中剪切子单元高度的取值进行了分析，明确了其物理含义；推导了单元的刚度矩阵，并分别建立了纤维子单元及剪切子单元的骨架曲线及滞回规则。另外，应用该计算单元模型，对一栋40层框架剪力墙结构进行了非线性时程分析，计算结果与相应模型的振动台试验结果进行了对比，比较结果表明两者在结构动力特性，位移响应方面等均吻合较好，验证了该计算单元模型的准确性与有效性，可为推广使用提供参考。     

基于框-剪结构协同工作的抗振墙数量优化研究

针对当前抗震墙数量优化中多是定性分析的现状,根据框架-剪力墙结构整体受力特点,采用横向分类方法,将空间框-剪结构分解量化为榀结构形式。基于有限元思想及框剪结构空间协同分析的离散化原理建立了其力学分析模型及剪力墙优化模型,该力学分析模型能较好地反映结构整体工作性能的主要特征及考虑剪力墙剪切变形的影响,动力分析采用振型分解法计算地震作用,以遗传算法作为优化方法确定出了剪力墙的最优数量。计算结果表明该方法具有较高的精度,可为结构的设计提供参考。     

高层建筑结构中的若干力学问题

高层建筑层数多,高度大,体型复杂,是三维空间结构。在竖直方向由许多抗侧力结构(如框架、剪力墙、筒体等)组成,在水平方向上则有许多楼板连结,有时还有刚性水平大梁、刚性桁架加劲。它除了承受静力荷载外,还受到风和地震等动力作用。在地震作用下,结构进入弹塑性大变形状态。由于结构组成和荷载作用的复杂性,因而高层建筑结构的力学分析成为结构力学中一个计算复杂、难度较大的问题。     

基于自动分组遗传算法的建筑结构体系与构件尺寸协同优化设计

研究了利用结构优化方法实现建筑结构体系选择的问题。文中建立了可以覆盖框架、框架-剪力墙和巨型结构三种体系的优化模型,并采用自动分组遗传算法求解,实现了结构体系与构件尺寸的协同优化。文章特别设计了三类模块,每类模块通过专门构造的含有多个分量的设计变量来表示,按一定方式组合这些模块可得到不同体系的结构。巨型结构中,巨型构件的设计变量表示方法和惯性矩计算方法满足提出的三条假设。基于精心构造的设计变量和三条相关假设,文中建立了以结构总材料用量最少为目标,考虑强度、刚度、分组及构造要求等约束条件的优化模型,采用自动分组遗传算法研究了40层、10层、6层三种高度建筑的优化设计。在相同外荷载条件下,它们的最优设计分别为巨型结构、框架-剪力墙和框架结构。     

基于自动分组遗传算法的建筑结构体系与构件尺寸协同优化设计

研究了利用结构优化方法实现建筑结构体系选择的问题。文中建立了可以覆盖框架、框架-剪力墙和巨型结构三种体系的优化模型,并采用自动分组遗传算法求解,实现了结构体系与构件尺寸的协同优化。文章特别设计了三类模块,每类模块通过专门构造的含有多个分量的设计变量来表示,按一定方式组合这些模块可得到不同体系的结构。巨型结构中,巨型构件的设计变量表示方法和惯性矩计算方法满足提出的三条假设。基于精心构造的设计变量和三条相关假设,文中建立了以结构总材料用量最少为目标,考虑强度、刚度、分组及构造要求等约束条件的优化模型,采用自动分组遗传算法研究了40层、10层、6层三种高度建筑的优化设计。在相同外荷载条件下,它们的最优设计分别为巨型结构、框架-剪力墙和框架结构。     

建筑输液管道地震反应分析

建筑物内输液管道作为依附在各楼层的非结构构件,对保障建筑物正常使用具有重要意义。基于主体结构各楼层对管道的二次输入影响,分别分析了管道与建筑结构耦合和管道多点激励下的地震反应,通过比较两个模型的计算结果,研究管道地震反应的实用分析方法。通过对主体结构弹塑性时程分析,得到楼层加速度放大系数变化规律,并建立楼面反应谱分析楼层反应谱相对地面反应谱的放大效应以及楼层对管道的地震作用。利用多点激励分析方法分析了主体结构类型及管径对管道应力的影响,结果表明:地震作用下管道的最大应力发生在与楼层连接处,2层、3层为管道薄弱层;侧向刚度较大的框架-剪力墙结构中的管道应力值较框架结构管道应力偏小;管径为150mm的管道应力约为管径为25mm管道的6倍。     

基于SiPESC平台的弹塑性分析的软件框架

基于开放式结构有限元分析软件系统SiPESC.FEMS,针对弹塑性非线性有限元分析理论与流程,采用工厂模式和构造器模式等经典软件设计模式,提出了一种基于面向对象设计方法的通用小变形率无关弹塑性分析软件框架。该框架利用算法与数据模型分离的思想,通过抽象出数据模型类、算法类和算法参数类,支持各功能模块的动态替换和组装,具备开放性和可扩展性。同时,基于SiPESC平台工程数据库的数据管理能力,实现了弹塑性分析中产生的大量历史数据以统一的接口与管理方式进行存取,为大规模问题的求解提供了高效、稳定的支撑。通过多类型实体单元、多类本构模型和多种规模的计算实例,验证了该计算框架在弹塑性有限元程序开发中的通用性、有效性和灵活性。     

建筑结构显式拟静力推覆分析方法研究

基于结构的精细化非线性有限元模型和显式拟静力求解方法,提出了结构拟静力推覆分析方法(EQPA);为控制结构惯性效应,给出了加载模式和基于能量的评价方法。在自主研发的CPU+GPU并行有限元软件中开发实现EQPA,可有效克服大规模复杂结构隐式Push-Over分析中计算量大和收敛性差的问题。使用EQPA对某超高层剪力墙结构的抗震性能进行分析,并与三组人工地震动的简化动力增量分析(sIDA)对比。结果表明,EQPA的结构惯性效应得到有效抑制;EQPA耗时仅为sIDA耗时的4.97%;两种分析方法的结果有一定差异,但两者的结构能力谱曲线、层间变形规律、薄弱楼层和构件损伤规律较为接近。     

底部两层框剪砖房层间侧移刚度比的合理取值

底部框剪结构多层砖房在城市建设中应用广泛。这种房屋的特点是由两种承重和抗侧力体系构成的。以典型房屋为基础。编制了剪切型结构弹塑性动力时程分析通用程序，通过减小剪力墙厚度。数量或材料标号的方法，基佗层的质量和刚度不变，采用多种层间侧移刚度比以及多种层数进行了弹塑性动力分析。讨论了这类房屋相邻层间侧移刚度比的合理取值问题，可供工程设计和编制有关的规范，规程参考。     

建筑结构爆破地震反应弹塑性精细时程分析

针对爆破地震作用下建筑结构的安全评估问题,提出利用时程分析方法全面评估爆破地震波的安全度;建立了基于精细积分算法的结构弹塑性动力分析架构模式,编制了建筑结构爆破地震反应弹塑性精细时程分析程序;通过算例验证了该算法的准确性与高效性,弹性时程分析与不同恢复力模型弹塑性时程分析的结果曲线具有类似特征和数值差异;建议选择合理的恢复力模型,使用弹塑性时程分析方法模拟爆破地震作用下结构的动力响应,全面评估爆破地震波的安全性。     

考虑控制延时影响的相邻建筑结构的离散变结构振动控制方法

研究了基于离散变结构控制算法的考虑控制延时影响的相邻建筑结构体系地震反应半主动控制的基本设计和计算方法。首先,建立了相邻结构体系的力学模型及连续运动状态方程,并将其离散化成标准离散状态方程形式。其次,简要地讨论了离散变结构控制器的设计方法,包括切换平面的选择及离散趋近率的构成．最后,应用本文方法对主楼12层,裙房5层的实例结构进行了数值仿真分析,结果表明,该控制方法不仅能有效抑制相邻结构地震反应的鞭梢效应,而且在控制延时存在的情况下,仍能保证系统的减震性能和稳定性。     

MRD与滑移隔震混合控制结构及其优化设计

为了改善滑移隔震结构的减震效果和适用范围,提出3种磁流变阻尼器(MRD)与滑移隔震混合方案,建立了MRD与滑移隔震混合控制结构的动力分析模型,对6层MRD与滑移隔震混合控制结构进行地震反应分析。MRD与滑移隔震混合结构的3种混合方案的相对加速度峰值、相对速度峰值、相对位移峰值和层间剪力峰值分别比滑移隔震结构有不同程度的降低,而混合方案3的控制效果更加明显。在此基础上,建立了MRD与滑移隔震混合结构优化设计模型,采用IHGA程序对结构进行优化设计。结果表明,MRD与滑移隔震混合结构的各项地震反应均得到了更好地控制。     

压电智能结构模糊自学习控制(FSLC)

将模糊逻辑与学习控制的基本思想相结合,根据控制系统的动态输出特性,采用模糊控制对学习控制律中的参数进行实时校正,实现系统的动态学习过程,提出了一种适用于压电智能结构振动控制的模糊自学控制方法FSLC（FuzzySelf-LearningContr01）。分别采用三维8节点实体单元（Solid45）和耦合单元模拟主结构和压电致动器／传感器,基于ANSYS参数化语言编写了压电智能结构振动控制分析的有限元程序。通过数值仿真证明了模糊自学习控制方法能有效控制压电结构的振动,并提高了自学习控制的收敛速度和获得了很好的控制效果。     

Analytical prediction of ROPS static elastic-plastic behavior

This paper outlines a method for accurately predicting the elastic-plastic force-vs.-deflection curve for a rolover protective structure (ROPS). A knowledge of the plastic behavior of structural members is combined with a finite-element beam model to produce a piecewise linear analysis. Experimental and analytical results are compared. Intermediate results are used to update the model at various stages in the process. The paper does not discuss the computer program—only its use.     

地震激励下参数不确定结构重叠分散保性能控制

对参数不确定结构振动控制方法进行了研究。基于包含原理,采用重叠分散控制策略与保性能控制算法相结合的方法,将高层建筑结构划分成一组子结构,对每一个子结构采用保性能控制方法设计控制器,提出了参数不确定结构重叠分散保性能控制方法,较好地解决了地震激励下参数不确定建筑结构的振动控制问题。以20层Benchmark结构模型为研究对象,采用重叠分散保性能控制策略和集中保性能控制策略进行数值模拟。结果表明,对于结构系统建模存在误差或系统本身存在不确定性的情况,本文提出的重叠分散保性能控制方法均能有效降低结构的地震响应,且能够保证控制系统的可靠性和稳定性。     

基于ABAQUS的超高层建筑动力弹塑性抗震分析Dynamic elasto-plastic seismic analysis for a super high-rise building based on ABAQUS

某国际金融中心超高层建筑共113层,结构高度423 m。首先,利用S A P2000软件建立结构的有限元模型,通过基于C＃语言开发的导航式接口程序TJU ．SAP2ABAQUS将SAP2000模型转换为 ABAQUS模型。然后,依据规范进行7°多遇、基本和罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。最后,模拟了超大震作用下该超高层结构的破坏过程。结果表明,（1）不同强度地震作用下结构的层间位移角均能满足规范限值要求。（2）罕遇地震作用下,结构满足大震不倒的抗震设防要求且有较高的安全储备。（3）超大震作用下,结构竖向刚度变化位置是结构潜在的薄弱部位,在抗震设计时应给予重点关注。     

Finite-element formulations for problems of large elastic-plastic deformation

An Eulerian finite element formulation is presented for problems of large elastic-plastic flow. The method is based on Hill's variational principle for incremental deformations, and is ideally suited to isotropically hardening Prandtl-Reuss materials. Further, the formulation is given in a manner which allows any conventional finite element program, for “small strain” elastic-plastic analysis, to be simply and rigorously adapted to problems involving arbitrary amounts of deformation and arbitrary levels of stress in comparison to plastic deformation moduli. The method is applied to a necking bifurcation analysis of a bar in plane-strain tension.The paper closes with a unified general formulation of finite element equations, both Lagrangian and Eulerian, for large deformations, with arbitrary choice of the conjugate stress and strain measures. Further, a discussion is given of other proposed formulations for elastic-plastic finite element analysis at large strain, and the inadequacies of some of these are commented upon.     

Time-independent anisotropic plastic behavior by mechanical subelement models

The paper describes a procedure for modelling the anisotropic elastic-plastic behavior of metals in plane stress state by the mechanical sub-layer model. In this model the stress-strain curves along the longitudinal and transverse directions are represented by short smooth segments which are considered as piecewise linear for simplicity. The model is incorporated in a finite element analysis program which is based on the assumed stress hybrid element and the viscoplasticity theory.     

船舶与海洋平台撞击的荷载模拟

以某导管架结构的X斜撑在导管架安装阶段受到大吨位起重铺管船撞击后的损伤检测结果为依据。对碰撞过程进行了数值模拟，按照构件模型从简单到复杂的模拟思路得到了船舶对海洋平台结构的撞击力。建立了船舶与海洋平台碰撞系统的力学模型，对导管架平台受损构件进行了等效静力强度计算分析。为了考虑在船舶冲撞下的整体平台结构动力效应的影响，在分析时考虑了碰撞过程的水动力效应，桩-土-平台结构的相互作用，采用非线性弹簧来模拟受损构件局部凹陷损伤，在船舶以不同的速度与平台发生碰撞的情况下，模拟出平台受撞击构件的永久凹陷变形与碰撞接触时间的曲线．反演分析计算了船舶对平台结构碰撞的最大撞击力。为确定受到撞击后导管架平台结构构件和管节点的损伤程度，提出合理可行的修理加固方案提供了分析依据。