结构动力弹塑性与倒塌分析(Ⅱ)——SAP2ABAQUS接口技术、开发与验证

开发并实现了由大型商业软件SAP2000导入ABAQUS有限元模型的接口程序——SAP2ABAQUS,明确交代了适用于隐式算法UMAT与显式算法VUMAT的inp数据格式并给出了相应注记。SAP2ABAQUS接口程序基于Microsoft VS2008平台并采用Visual C#语言开发而成,提出并设置界面为导航方式,可自由选择生成隐式或显式格式的inp数据文件,不仅直接可转换不同截面杆系构件、壳体、组以及约束等信息,而且可将材料纤维信息直接转化为inp文件,包括难于处理的适用于隐式和显式算法的的钢材纤维、剪力墙配筋率等。可转化型钢构件包括圆形钢管、箱形钢管、工字钢与角钢,混凝土构件包括钢筋混凝土、圆钢管混凝土、方钢管混凝土、I字型以及十字形型钢混凝土。采用SAP2ABAQUS接口程序,对几种典型形式的结构模型分别转化,对比转化前后的模型信息以及模态分析结果,进一步验证了开发SAP2ABAQUS的可行性与准确性。该项工作可极大提高ABAQUS前处理的工作效率和模型转化的准确性。     

结构动力弹塑性与倒塌分析(Ⅰ)——滞回曲线改进、ABAQUS子程序开发与验证

详述并明确了钢材静态损伤滞回模型中3种类型加卸载路径,重点改进了混凝土滞回规则中再加载路径拐点前的二次曲线与拐点后的直线规则,定义了再加载至骨架曲线的刚度退化指数型表达式。进而,开发了直接能够与ABAQUS主程序保持数据相互调用的UMAT隐式和VUMAT显式算法子程序,并给出子程序与ABAQUS主程序链接的框架示意图。最后,通过5种具有试验结果的构件对所开发程序加以检验。结果表明:(1)改进的混凝土再加载滞回规则可较好描述混凝土加载曲线,克服了二次型规则的再加载曲线与卸载曲线在拐点前相交的可能性,体现了拐点后再加载至骨架曲线的刚度退化;(2)开发实现的隐式算法UMAT与显式算法双精度VUMAT子程序不仅可行,而且具有足够的计算精度。     

长周期地震动作用特性及其对RC柱抗震性能的影响研究

长周期地震动作用下结构的位移响应呈现多次大位移往复、长持时的特点，体现了其区别于普通地震动的特殊作用特性。长周期地震动对结构的影响研究关键在于揭示长周期地震动作用特性对结构构件抗震性能的影响机理。首先，基于雨流计数法对长周期地震动和普通地震动作用下单自由度体系的弹塑性位移响应进行循环统计分析，阐明了长周期地震动的作用特性，并以此构建了考虑长周期地震动作用特性的拟静力加载制度。其次，通过对不同设计参数的RC柱进行传统加载制度和考虑长周期地震动作用特性加载制度作用下的低周往复加载，分析其抗震性能差异，揭示了长周期地震动作用特性对RC柱的影响。研究结果表明：长周期地震动表现为地震动强度需求小，结构弹塑性位移循环总数多，且以小弹塑性位移循环为主的地震动作用特性。长周期地震动作用特性显著影响RC柱的强度与刚度退化规律，且对低等级混凝土、高轴压比、高纵筋配筋率和高体积配箍率构件的刚度退化影响更为显著。     

ABAQUS在超高层结构动力弹塑性分析中的应用

本文概述了现有的弹塑性分析方法即静力和动力弹塑性分析方法,并比较了其优缺点。同时,应用大型有限元软件ABAQUS对西昌某超高层建筑进行了动力弹塑性时程分析,对动力弹塑性时程分析方法在高层、特别是在超限高层分析中的推广和应用提供了有益的参考和借鉴。     

高层框架结构E-defense振动台试验弹塑性时程对比分析

长周期地震动对高层结构的影响在日本"311地震"后进一步受到关注,日本学者在E-defense振动台上进行了一20层高层RC框架1/4缩尺模型的加载试验,研究了长周期地震动作用下高层结构的响应及破坏特征;本文在介绍其主要试验结果的基础上,基于SNAP软件建立梁端部集中塑性铰杆单元、柱纤维单元的有限元模型,进行弹塑性时程分析再现试验结果;进一步考虑长周期地震动作用下高层结构长持时、大位移响应特征,对梁端恢复力模型考虑累积塑性损伤修正,计算结果与试验结果吻合良好。     

静力和动力荷载作用下混凝土高层结构的倒塌模拟

在M SC.M arc有限元分析软件程序的基础上,开发了针对钢筋混凝土杆系结构的钢筋混凝土纤维模型程序THU F IBER。在该程序中,结构构件中的混凝土和钢筋分别用不同的纤维来模拟,从而使得材料滞回特性得到较准确的表达。为了验证本程序的计算能力,本文针对一个钢筋混凝土高层框架结构进行了静力弹塑性分析和动力时程分析,结果表明,THU F IBER具有出色的分析非线性问题的能力,可以进行结构倒塌模拟。     

高层框架结构远场长周期地震响应分析

首先对3条普通地震波和3条远场长周期地震波进行了频谱特性分析,并对比了普通地震波与远场长周期地震波傅里叶幅值谱的不同点;其次采用ABAQUS大型通用有限元软件建立了16层钢筋混凝土框架结构有限元分析模型,并对高层结构的动力特性进行分析。按照弹塑性时程分析的方法,研究高层框架结构在远场长周期地震动作用下的响应,包括楼层剪力、楼层位移和楼层位移角,并与普通地震动作用下的结构响应进行对比,得出远场长周期地震动对高层框架结构的各个响应均大于普通地震动。     

基于多弹簧模型的钢框架结构三维弹塑性地震反应分析

文章提出了考虑剪切变形弹塑性刚度影响的多弹簧模型的空间梁柱单元,用于反复加载下钢构件的数值模拟。应用多轴应力状态下的塑性应力-应变关系理论,在单元模型中考虑了弹塑性区域剪切变形对单元的弹塑性刚度的影响,针对单元模型的塑性区长度和弹簧布置两个参数,文中给出了合理建议取值。数值模拟分析表明,所提出的单元模型能够很好地模拟钢构件的弹塑性性能。在此基础上,以多高层钢结构商业设计软件MTS为平台,进行三维钢框架结构弹塑性动力时程分析模块的开发。最后,文章对一纯钢框架结构足尺振动台试验进行数值模拟,模拟分析结果表明,本文所提出的多弹簧单元模型及开发的动力分析模块能够较好地模拟钢结构在地震作用下的弹塑性性能。     

典型砖木结构农居地震弹塑性有限元分析

针对我国农居结构中比例最高的砖木结构,选取典型结构运用ABAQUS有限元软件进行模态和地震时程弹塑性分析。给出M0.5和M5两种砌筑强度砖木结构农居的前三阶特征周期和振型,并与经验周期公式值进行对比分析,提出后者存在的问题和修改建议。选取天津波作为地震动时程输入,分别计算不同峰值加速度下两种砖木结构农居弹塑性地震反应,给出相应的拉损伤云图,并对结构的破坏特征进行分析,给出结构抗震薄弱部位。结果表明,砌筑强度是决定结构抗震能力的关键因素之一。     

高层建筑结构静力弹塑性分析的Pushover-QR法

将QR法与Pushovcer分忻方法相结合,提出了高层建筑结构静力弹塑性分析的Pushover-QR（PO-QR）法。该方法沿用了常规Pushover方法进行抗震结构静力弹塑性分析的实施思路,用QR法代替Pushover分析方法中的有限元部分,充分利用这两种方法的优点,使得抗震结构静力弹塑性分析的计算得到较大的简化。PO-QR法程序的工程算例表明,该法是一种经济、有效、可行的分析方法。     

多层钢框架连续倒塌动力效应分析

为研究多层钢框架连续倒塌由于初始破坏引起的动力效应,本文采用集中塑性铰杆模型,以需求能力比(DCR)为参数,利用瞬时加载法对一榀多层平面钢框架和一个多层空间钢框架进行了弹塑性动力反应分析。分析结果表明:随着DCR的增大,各柱列沿竖向动力放大效应基本不变;当DCR≤0.5时,随着DCR的增大,各柱列动力放大效应基本不变,且一般情况下含失效构件的柱列动力放大效应最显著;当DCR>0.5时,含失效构件的柱列动力放大效应随着DCR的增大而增大,其余柱列动力放大效应随着DCR的增大而减小或基本不变。     

大跨预应力混凝土框架结构的静力弹塑性(pushover)分析

基于美国规范ATC-40和N2方法,建立了大跨预应力混凝土框架结构竖向地震反应的静力弹塑性(pushover)分析方法。编制了预应力混凝土构件截面弯矩-曲率的计算程序。这些为评价大跨预应力混凝土框架结构的竖向抗震能力提供了有益的参考。结合具体工程实例进一步说明了该方法的实施步骤。     

基于单地震动记录IDA方法的结构倒塌分析

增量动力分析(Incremental Dynamic Analysis, IDA)作为静力Pushover分析的动力拓展,可以全面、准确地分析结构的性能变化,尤其可以很好地分析结构倒塌这一动力失稳问题.本文基于单地震动记录的IDA方法,提出了"折半取中"原则,以确定结构倒塌极限状态点.以一榀五层三跨钢筋混凝土框架结构为例,分别考虑钢筋强化模型、理想弹塑性模型和软化模型,对其进行倒塌分析.结果表明:钢筋的屈服后强化特性对结构抗倒塌能力具有显著的影响.     

强震持时效应对输电塔-线体系倒塌影响分析

依据工程实际资料,建立了"两塔三线"大跨越输电塔-线体系三维有限元模型,并进行了动力特性分析。选取了3条天然地震波El Centro、Taft和Northridge,并依据Arias强度定义了70%持时地震动和90%持时地震动,采用考虑材料损伤和杆件失稳效应的用户材料子程序,利用动力显式分析方法,研究了强震持时效应对大跨越输电塔-线体系杆件损伤程度、损伤杆件数量以及结构倒塌的影响。研究表明:强震持时效应对结构损伤杆件数量、杆件损伤程度以及结构倒塌有较大的影响;研究结果对于地震作用下输电塔-线体系工作性能的评估以及维修加固具有重要的意义。     

增量动力弹塑性分析方法的改进及其应用

本文主要对增量动力弹塑性分析(IDA)方法的两个方面作了改进:(1)以增量动力弹塑性分析方法的基本原理为基础,以快速非线性时程分析(FNA)方法为计算工具,形成快速增量动力弹塑性分析(FIDA)方法。(2)仅以IDA分析结果为基础,建立地震易损性曲线及地震破坏概率计算的离散型式。为了校验本文方法的可行性与有效性,应用增量动力弹塑性分析、模态增量动力弹塑性分析与快速增量动力弹塑性分析计算一个14层筒中筒结构试验模型,比较了用上述三种方法的计算误差与计算效率,比较了传统方法与本文方法计算该模型结构的地震易损性曲线的差别。     

ABAQUS后处理二次开发在结构弹塑性分析中的应用

在弹塑性分析的后处理阶段,通常需要依托大量的分析结果数据对结构进行抗震性能评价,而目前通用有限元软件ABAQUS的后处理功能无法详细提供结构设计过程中所需的数据。为高效、准确的提高结构大震弹塑性分析的效率,节省工程人员在后处理分析时所花费的时间和精力,利用面向对象的脚本语言Python对有限元软件ABAQUS进行了二次开发,实现层间位移角和结构损伤指标的自动计算,并将计算结果以曲线方式输出。文中讨论了ABAQUS自定义功能内核脚本的编写方法和图形用户界面开发的基本方法和流程,分析了插件程序开发中的问题及解决措施,并通过两个算例验证开发插件的正确性。     

基于位移的结构静力弹塑性分析方法的研究

本文系统介绍了基于位移的一般结构静力弹塑性(pushover)分析方法、自适应结构静力弹塑性(pushover)分析方法,指出了基于力的结构静力弹塑性(pushover)分析方法与基于位移的结构静力弹塑性(pushover)分析方法的差别。应用各种结构静力弹塑性(pushover)分析方法对一7层和15层框架剪力墙结构进行了计算与比较分析。算例结果表明,应用基于位移的一般结构静力弹塑性(push-over)分析方法对结构的抗震性能进行评估时,不受高阶振型的影响,结果更加准确合理。     

基于向量式有限元的黏滞阻尼减震结构抗竖向连续倒塌动力反应分析

向量式有限元是以向量力学为基础的一种新的结构分析方法,在处理结构大变形等复杂行为时具有较大的优势。基于向量式有限元理论建立了黏滞阻尼单元,对附加黏滞阻尼器的平面钢框架结构进行了抗竖向连续倒塌动力分析,结合拆除构件法,采用MATLAB编制可以考虑初始变形的瞬时卸载法程序,实现结构在构件拆除前的静力分析和构件拆除后动力分析的全过程统一。研究了阻尼器布置位置和参数在结构抗竖向连续倒塌中的性能需求,以失效点竖向位移时程曲线、梁端转角、动力放大系数和结构塑性铰分布为参考指标,对比分析布置阻尼器前后钢框架结构的抗连续倒塌能力。结果表明向量式有限元是一种研究结构竖向连续倒塌动力响应的有效方法,合理布置阻尼器能够有效控制剩余结构的变形和振动,降低构件内力,减少塑性铰个数,较大地提高结构的抗竖向连续倒塌能力。     

静力弹塑性分析(Pushover Analysis)在多跨简支梁桥中的应用

阐述了静力弹塑性分析的基本原理与过程,介绍了该方法在桥梁工程中的应用与实践状况,并且结合一座6孔简支梁桥的抗震性能评估的工程实例,采用pushover方法对全桥模型进行了抗震性能的分析计算,结果表明该桥梁满足设防烈度下的抗震要求,同时也指出了采用pushover方法时应该注意计算模型和加载模式的选择等问题,为静力弹塑性分析方法在桥梁工程中的应用提供了参考.     

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。