基于有限元的钢筋混凝土框架结构倒塌分析

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我国是世界上城市化速度最快的国家,同时也是地震灾害最为严重的国家。随着城市建设的高速开展,出现了越来越多的复杂结构和新型结构,但钢筋混凝土(RC)框架结构因其具有易于施工、传力路径清晰和建筑平面布置灵活等优点,在现有建筑结构中仍占很大的比例。  大量的震害资料显示,在震灾严重的地区大量钢筋混凝土(RC)框架结构发生倒塌,人员伤亡和财产损失及其严重。研究钢筋混凝土结构倒塌破坏过程,有助于更为深入的了解钢筋混凝土框架结构的抗倒塌性能,这将是结构抗震领域未来的主要研究方向之一。基于上述原因,本文就钢筋混凝土框架结构及构件的断裂破坏和倒塌问题,结合大型通用有限元软件ABAQUS开展了模拟研究。主要内容如下:  1、钢筋混凝土梁柱构件单元构型及其单元消除技术研究  基于对结构整体分析时计算效率及准确性的考虑,本文研究了用于模拟钢筋混凝土框架结构构件的单元构型,选用了ABAQUS显式分析模块中的铁摩辛柯(Timoshenko)三维纤维梁单元B31。B31单元可以较好地描述轴向、弯曲和扭转变形,且能够考虑结构倒塌破坏中的接触碰撞问题,适用于进行结构倒塌分析。  为解决有限单元法无法直接描述构件由连续体变为非连续体的断裂破坏过程的问题,本文采用单元消除(杀死)技术,以“牺牲”构件关键截面处个别单元为代价,近似地模拟构件的断裂破坏。  2、钢筋、混凝土材料破坏准则研究  结构倒塌破坏的本质是材料的失效断裂破坏。本文研究了目前较为常用的破坏准则,其中极限应变准则能够较好地描述结构倒塌破坏的本质,其破坏阈值仅与材料自身性能有关,且容易通过试验测定。故采用极限应变准则作为破坏标准。另外,本文研究了钢筋、混凝土材料在拉、压状态下的破坏特点,对钢筋、保护层混凝土、核心混凝土分别定义了不同的破坏规则。  3、钢筋混凝土柱单、双向往复加载下的数值模拟  本文分别模拟了单、双向往复加载时钢筋混凝土柱的模拟了钢筋混凝土柱构件的非线性及断裂破坏过程,并进行了对比,发现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。这对于进行钢筋混凝土框架结构在强震作用下的倒塌破坏机制研究具有重要的意义。  4、平面框架倒塌破坏数值模拟  本文对往复荷载下钢筋混凝土柱破坏过程进行了模拟,并与试验结果进行了对比。数值模拟所得滞回曲线与试验实测滞回曲线相吻合,且破坏形态与真实受力状态下框架结构的破坏相同。  5、PKPM与ABAQUS之间的模型转换程序的编制  采用有限元软件ABAQUS进行结构整体建模时,若人工建模则效率极低。为提高建模效率,实现快速建模。本文开发了PKPM与ABAQUS软件之间的模型转换程序——研究了PKPM据文件的格式,基于Python语言编制转换程序,实现两个不同软件之间模型的转换,达到快速建模的目的。  综上所述,本文研究了有限单元法进行钢筋混凝土框架结构倒塌破坏过程的相关技术,较好地实现了钢筋混凝土柱构件以及平面框架进行了倒塌破坏模拟。另外,本文编制的模型转换程序有效地实现了快速建模,降低了结构整体倒塌研究的成本。
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