建筑结构连续倒塌性能研究进展1）

在爆炸、撞击等偶然载荷作用下,建筑结构中部分关键承重构件失效可能导致后果极为严重的结构整体连续倒塌破坏。本文对国内外建筑结构连续倒塌性能的试验研究和理论分析成果进行了总结,分析了结构倒塌过程中的各种抵抗机制及其对结构抗倒塌性能的贡献,对现有的结构抗连续倒塌设计与研究方法进行了评述,并对结构抗倒塌性能的研究进行了展望。     

基于能量法组合梁倒塌工况下的抗力分析

框架结构在竖向承重构件突然发生破坏的情况下主要通过两个抗倒机制防止连续倒塌的发生,分别为小变形状态下的梁机制以及大变形状态下的悬链线机制.组合楼板由于平面刚度大,可以显著提高框架结构的抗倒性能.将混凝土楼板-钢框架结构简化为组合梁结构进行分析.对已有研究得到的抗力曲线进行适当简化,并运用能量法分析抗倒各个阶段的受力特征以得到曲线各个阶段的表达式.随后应用大型有限元分析软件ANSYS对理论公式的可靠性进行算例验证,说明提出的分析方法较为合理,同时可以发现楼板对结构抗倒有明显的的加强作用.     

平面张弦结构抗连续倒塌的动力分析

杆件由于爆炸、腐蚀等发生脆性破坏后引起剩余结构的振动和压杆由于失稳过程中的弹性突跳（Snap-through）引起的相邻结构振动是张弦结构倒塌过程中常伴生的两种动力现象。本文对第一种动力响应产生的原因、失效构件的模拟方法进行了分析,说明进行张弦结构抗连续倒塌的动力分析应采用初始条件法模拟构件的失效。根据张弦结构的特点,从构件失效和结构失效两方面提出了张弦结构倒塌失效的评估准则,并采用变换荷载路径法通过静力连续倒塌分析找出张弦结构各部分的关键构件;然后采用初始条件法按考虑几何非线性、阻尼比、材料非线性等分别模拟这些关键构件失效引起的动力响应,得到了平面张弦结构各部分构件失效的动力特性、动力放大系数和失效构件的位置,并对不同失效时间进行动力响应分析得到张弦结构动力效应与构件失效时间的关系曲线。最后给出张弦结构进行抗连续倒塌分析的一些结论和建议,如进行连续倒塌动力时程分析时初始失效杆件选取和失效时间取值以及弹性动力放大系数与塑性动力放大系数的区别等,为张弦结构的抗连续倒塌设计提供技术支持和参考。     

多层平面钢框架连续倒塌仿真分析

为研究结构连续倒塌的全过程,采用瞬时加载法和大变形动力有限元软件LS-DYNA,对一榀底层中柱失效的多层平面钢框架进行连续倒塌仿真分析. 分析结果表明：对于钢结构,提高材料的失效应变,可以显著提高结构抵抗连续倒塌的能力.     

考虑结构整体的组合梁极限抗火性能分析

随着对钢结构整体抗火能力的深入理解,人们意识到单个构件的抗火能力与处于结构整体中的构件抗火能力具有很大不同。实际结构是一个高次超静定体系,在火灾下能够进行承载路径的改变和承载方式的调整,从而具有比单个构件更高的抗火能力,同时,处于结构整体中的构件在火灾下的温度膨胀应力对其抗火能力的影响是不可忽视的因素之一。文章推导了组合梁的轴力——弯矩相关曲线,绐出了考虑结构整体性的平板式组合梁结构抗火极限分析方法,并与有限元分析结果进行了对比,为考虑结构整体性的平板式组合梁抗火设计提供了依据。     

建筑结构倒塌破坏的数值模拟方法综述

对建筑结构倒塌破坏的数值模拟方法进行了综述,可归纳为预设损伤与破坏准则、隐式有限元、显式有限元、颗粒离散单元法等4类,分别就其发展历史和实际应用过程中存在的若干缺陷和问题进行探讨。根据颗粒离散元法的基本原理与特点,以某3跨10层的高层框架结构为算例,建立颗粒流模型,基于PFC2D软件编写程序,模拟该结构在突遭水平强击作用下从构件裂纹扩展、断裂、失效、退出工作、结构局部性坍塌一直到整体倒塌的全部动态过程,表明颗粒离散元法可对二维、三维倒塌过程中存在的大量非线性问题进行处理,与其他方法相比较具有较大优势。     

框架结构悬链线效应研究新进展

本文主要研究框架结构悬链线效应方面的新进展,并着重对钢筋混凝土框架结构与钢框架结构悬链线效应的区别,以及强震作用下框架结构连续倒塌过程中的悬链线效应进行了探讨.本文首先介绍悬链线效应的概念,即处于结构整体中的水平构件在失去抗弯能力后,通过轴力和很大挠度形成的力矩来抵抗外载荷产生的弯矩的现象.在火灾、强震等作用下,框架结构局部梁构件会依次进入弹性状态、弹塑性状态,进而屈服产生塑性铰,成为瞬变机构,此时梁构件的挠度会迅速增大,形成悬链线效应,当塑性铰失效时,则会产生机械铰,当悬索拉力超过极限承载能力时,机械铰断裂.其次通过算例来研究两端铰接约束梁在小变形状态下轴力与挠度形成的力矩与弯曲抵抗力矩的比值随载荷、跨度以及截面高宽比变化的关系.接着对国内外学者的框架结构悬链线效应研究进行系统的分析和总结,重点研究钢筋混凝土梁构件由压拱效应向悬链线效应的转化过程.最后对框架结构悬链线效应研究需要进一步开展的工作进行探讨和展望,通过利用悬链线效应的强度储备来增强结构的潜在强度和抗倒塌能力.      

准连续体方法研究进展

准连续体方法是一种将连续介质方法和原子模拟相耦合的多尺度模拟方法。该方法巧妙地将分子静力学与有限元法相结合,在变形梯度较小的规则区域采用代表性原子作为计算点,以此为节点形成有限元网格,其周围其他原子的位置通过插值得到。代表性原子的引入,使系统原子势能的计算大大简化。自适应手段的应用,保证了材料缺陷核心附近原子尺度的细节描述。与其他纳米力学计算方法相比,准连续体方法具有计算精度高,计算规模大等优点。本文主要介绍了准连续体方法的基本原理及发展状况,归纳并总结了这一些优点及今后的发展方向。     

悬索桥结构分析中的索-鞍座单元

为在悬索桥结构的有限元分析中真实、简洁、高效地模拟索鞍,本文建立了一类新的单元。新单元包括索段的一端固定在与其接触部分为单一半径圆弧的索鞍上,另一端分别位于索鞍两侧的两节点“左索-鞍座单元”和“右索-鞍座单元”,以及索段两端点分别位于索鞍两侧,中间一点固定于鞍座上的三节点“索-鞍座单元”,后者的鞍槽可为两不同半径圆弧的组合。根据要求的成桥状态几何参数确定结构的无应力状态时,可利用前二者进行悬索桥的单跨分析。新单元通过自动调整索与鞍座的脱离点而处于平衡状态,从而简化了计算。单元算法的推导基于有限元分析的基本原理和弹性悬链线的精确解,并利用了处于平衡状态时索与鞍座之间的内力关系。新单元可象常规单元一样直接用于成桥状态或施工过程中悬索桥结构的有限元分析。设计的算例验证了新单元的正确性,并举例说明了新单元在悬索桥结构分析中的应用。     

频率约束的三维连续体结构动力拓扑优化设计

针对频率约束和结构重量最小的动力拓扑优化问题, 基于(independent continuous mapping, ICM)独立、连续、映射方法,建立了频率约束下的三维连续体拓扑优化模型. 利用瑞利商和一阶泰勒展式对频率约束进行了显式化处理,并采用幂函数与复合指数函数作为过滤函数,将优化模型进行了标准化转换, 利用对偶理论及数学规划法进行了求解. 另外,利用质量矩阵和刚度矩阵过滤函数比值与动态约束处理了局部模态和模态交换等数值问题. 最后,通过应用两类不同过滤函数的数值算例表明了文中模型及方法在处理动力拓扑优化问题上的合理性与有效性.      

连续纤维增强复合材料结构基频最大化设计

与传统的金属材料相比, 纤维增强复合材料在强度、刚度、抗断裂等诸多方面具备更优良的性能, 目前纤维增强复合材料已在汽车、航空航天等工业领域得到了广泛应用. 本文提出一种求解连续纤维增强复合材料结构无阻尼自由振动下的基频最大化问题的拓扑优化方法. 为了实现结构拓扑构型与纤维角度的同步优化, 建立了以准许的材料用量体积分数为约束、以结构的一阶特征值为目标函数的动力学拓扑优化模型, 该模型包括表征结构拓扑构型的密度设计变量和表征纤维方向的角度设计变量. 详细推导了特征值目标函数关于密度设计变量和角度设计变量的解析灵敏度列式, 并采用移动渐进线方法 (method of moving asymptotes, MMA) 进行了优化求解; 最后通过3个数值算例验证本文方法的有效性, 其中包括一个以刚度最大化为目标的静力学优化算例, 和两个以一阶特征值为目标的动力学优化算例. 结果表明, 所提方法优化迭代过程稳健, 收敛快, 能够在实现结构拓扑构型与纤维角度的一体化优化的同时, 有效提高结构的频率.      

火灾(高温)下索网结构计算的连续化方法

对于火灾(高温)下索网结构的响应,通常基于有限元法利用计算机进行数值模拟,而商用程序的"黑箱"效应不利于对高温下索网结构反应本质的理解.对于单索和索网火灾下的反应,采用温度离散的方法,考虑钢绞线在高温下的力学特性,推导了索结构的高温反应计算式.结果表明,该方法与非线性有限元的计算结果吻合较好.     

基于ICM方法三维连续体结构拓扑优化

基于ICM方法,建立了在应力和位移约束下以重量为目标的多工况下的三维连续体结构拓扑优化模型.利用von Mises强度理论,提出了应力全局化的方法,从而将局部的应力约束转化为全局的应变能约束问题,减少了约束数目,避免了敏度分析的困难;利用单位虚载荷法, 将位移约束表示为设计变量的显式关系.为减小由于不同物理量在数量级上相差太大引起数值计算的误差,将应变能约束和位移约束进行无量纲化,由此建立了包含两类约束的无量纲化的优化模型.同时处理了多工况下的最佳传力路径的问题.利用对偶规划理论对模型进行了求解.另外,利用PCL语言在MSC/Patran的开发平台上实现了该文算法.数值算例表明了该方法的可行性和有效性.     

离散变量结构优化设计的连续化方法

把离散变量结构优化设计问题转化为一般的0-1规划问题,进一步把该问题转化为一个带有互补约束的优化问题,利用NCP函数,最终得到待以求解的连续优化问题。离散优化到基于NCP函数的连续优化变换在理论上是等价的,可以利用普通的数学规划方法实施求解。数值算例的计算结果验证了该连续化方法的可行性与有效性。     

考虑破损-安全的连续体结构拓扑优化ICM方法

本文瞄准连续体在破损-安全考虑下的结构拓扑优化问题,旨在克服传统模型求解所得最终构型存在的弊病,避免结构因缺乏合理的冗余结构而敏感于局部破坏,实现破损-安全的目标. 首先,梳理了以往虽然用到却并不明晰的4个概念:结构局部破损模式、结构局部破损区域、结构破损状况、结构破损状况的预估分布. 之后,基于独立连续映射(ICM)方法,对该问题建立了力学性能约束下结构体积极小化的模型. 建立目标函数时,利用Minimax的概念将可能出现的结构破损状况对应的所有结构体积目标转化为原结构的唯一结构体积目标,克服了多目标问题的困难. 建立近似约束函数时,将可能出现的所有结构破损状况对应的力学性能的约束皆考虑进去,既能处理载荷单工况也能处理载荷多工况. 最后,以位移约束为例,建立了优化模型并求解. 单工况及多工况位移约束拓扑优化算例验证了算法的有效性. 结果表明:本方法相比于不考虑破损-安全的拓扑优化设计,得到的最优拓扑更复杂,体积比更大即所用材料更多,亦即最优结构具有更多的冗余,此正是考虑破损-安全设计原则的结果. 本文的研究对于航空、航天、其他水、陆等领域运载工具以及其他工程结构在意外破坏、战争创伤或恐怖袭击下的结构设计,乃是非常重要的进展.      

制导炸弹连续打击下混凝土重力坝的破坏效应

选取某制导炸弹作为研究对象,利用任意Lagrange-Euler计算方法,通过对大口径、高弹重武器的侵彻爆炸的全过程三维数值仿真,针对连续打击作用下大坝破坏效应进行了研究。研究表明,侵彻引起的振动很小,引起质点振动的主要是弹药的爆炸。由于相继打击间隔时间已远超过大坝动态响应时间,相继打击引起的坝体振动基本上不存在叠加效应。但前枚制导炸弹侵彻爆炸的破坏效应为后继制导炸弹提供了“临空面”,使得后继制导炸弹无论是侵彻深度还是爆炸破坏范围等破坏效应都有所增大。连续打击下,爆炸后形成的破坏范围基本上互相连通,对大坝的正常运行及安全构成威胁。     

应力约束下三维连续体结构拓扑优化分析

本文基于ICM(独立、连续、映射)方法,建立了以连续体结构重量为目标的应力约束下多工况的三维连续体结构拓扑优化模型。利用von Mises强度理论,提出了应力约束全局化方法,从而将局部的应力约束转化为全局的应变能约束,由此减少了约束数目,降低了问题的规模,避免了敏度分析。另外,利用对偶理论,将建立的优化模型转化为对偶模型,用序列二次规划法进行了求解,从而减少了设计变量的数目,提高了求解效率。借助MSC．Patran和MSC．Nastran提供的软件平台,利用PCL语言实现了本文的优化算法。数值算例验证了方法的可行性与有效性。     

具有不同拉压性能材料的连续体结构拓扑优化

采用浮动的拉伸与压缩生长参考区间法讨论材料的拉伸与压缩性能差别对最优拓扑的影响.材料的拉伸与压缩性能差别包含两个方面,其一,基础材料的拉伸杨氏模量与压缩杨氏模量存在差异;其二,基础材料在拉伸变形与在压缩变形下生长的参考应变区间不同. 两者对结构最优拓扑的影响具有等效性. 数值算例证明了这一等效性. 数值算例进一步表明,对于一个给定的设计域,基础材料的拉伸与压缩性能差异对结构最优拓扑影响很大. 因此,考虑结构及材料具有不同拉压性能时的拓扑优化工作具有明显的工程意义.      

应力约束全局化策略下的连续体结构拓扑优化

利用Mises强度理论,提出了应力约束全局化策略,将局 部的应力约束问题转化为结构整体的应变能约束问题. 基于ICM(独立、连续、映射)方法, 引入了独立、连续的拓扑变量,对单元重量、单元刚度和单元许用应力的过滤函数进行了选 择,建立了以重量为目标,以结构应变能代替应力约束的多工况下连续体结构拓扑优化模型, 寻找到了多工况下的最佳传力路径. 运用对偶二次规划方法对上述优化模型进行了求解. 另 外,利用PCL语言,在MSC/PATRAN的开发平台上,实现了应用应力约束全局化策略进行连 续体结构拓扑优化的模块化处理. 数值算例表明了该方法的可行性和有效性.     

基于无单元Galerkin方法的受迫振动下的连续体结构拓扑优化

基于无单元Galerkin法(EFG)对受迫振动下的连续体结构进行拓扑优化设计.选取节点的相对密度作为设计变量,以动柔度最小化为目标函数,基于带惩罚的各向同性固体材料模型(SIMP)建立了受迫振动下的连续体结构拓扑优化模型,采用伴随法求解得到目标函数的敏度分析公式,利用优化准则法对优化模型进行求解.通过经典的二维连续体结构拓扑优化算例证明了该方法的可行性和有效性.