整体结构混合火灾试验原理及数值仿真分析

火灾下建筑结构的力学分析分为2个层次:1受火作用的结构基本构件的力学分析,如受火梁、柱、楼板分析;2受火构件力学状态的变化对整体结构影响的力学分析,如火灾下建筑结构的连续性倒塌分析。为考察整体结构在火灾下的力学反应,Mostafaei提出了混合火灾试验方法,即对原结构部分构件进行耐火试验,剩余子结构则采用数值分析。通过构件火灾试验与子结构数值模型间的数据交互反馈,模拟整体结构火灾下的力学反应,进而避免直接进行大型结构整体火灾试验。理论上,如果受火构件与无该构件的子结构模型,在任意火灾时刻时的内力、位移均相等,则该结果与整体结构实际火灾下的反应相同。但实际上,由于无法保持任意时刻受火构件与子结构模型的荷载、位移一致,混合火灾试验简化为每间隔时间Δt或温度ΔT对这些参量进行一次同步。给出了构件试验和子结构数值模型间的数据交换路径,并以基本构件的数值试验代替真实火灾试验,通过混合火灾数值试验与子结构模型的交互分析结果,验证了混合火灾试验方法的准确性。     

多高层钢结构耐火性能的子结构分析模型与分析方法

基于整体钢结构在局部火灾下的反应规律,将高层钢结构的初始倒塌破坏类型进行了分类(中间柱初始倒塌、边柱初始倒塌以及梁柱同时倒塌),根据整体结构约束影响和荷载影响,提出局部火灾下多高层钢结构耐火性能分析的相应子结构分析模型及其分析方法。子结构模型的边界充分考虑周围约束的影响,尤其是周围梁和上层柱构件以及层数的影响。针对不同类型的子结构模型,通过建立相应的具体子结构有限元模型,合理考虑边界条件的影响。最后基于建立的数值模型,研究了子结构的火灾反应规律与破坏机理,并与整体结构的分析结果进行了比较,结果表明:子结构分析模型与分析方法可以合理准确地分析整体结构的耐火性能。     

考虑群桩-土相互作用的梁式桥子结构拟动力试验方法研究

考虑群桩-土相互作用影响,对梁式桥在顺桥向水平地震作用下的子结构拟动力试验方法进行了研究。在建立的结构试验模型中,可以取桥梁支座、桥墩或桩基础作为试验子结构置于异地实验室进行试验实测,其余部分进行数值模拟。基于网络化结构实验室Net SLab系统,开发了考虑群桩-土相互作用的梁式桥远程协同子结构拟动力试验程序。进行了一系列梁式桥远程虚拟子结构拟动力试验,并将试验结果与SAP2000时程分析结果进行了对比,验证了试验程序的可靠性。     

卷边PEC柱-钢梁(BRS)端板连接组合框架中间层抗倒塌机理数值模拟

为研究卷边PEC柱-钢梁组合框架中间层抗倒塌机理,以采用端板预拉对穿螺栓连接的新型卷边钢板组合截面PEC柱(弱轴)-钢梁(BRS)组合框架中间层子结构试验试件作为研究对象,利用有限元软件ABAQUS对其进行水平低周往复荷载下倒塌机理的数值模拟。基于计算数据,对比分析试件承载力、抗侧刚度、连接性能、耗能能力、剪力分配、变形模式、节点传力机理和破坏机构等抗震性能。结果显示:试件具有较大的承载能力和初始抗侧刚度;卷边PEC框架柱平均分担层间水平剪力,层间变形表现为剪切型变形模式;预拉对穿螺栓实现了部分自复位功效,而梁截面削弱满足了连接的转动能力和结构耗散地震能的需求;试件最终破坏模式为梁端削弱截面处出现塑性铰而使结构形成塑性机构,相应连接转角和试件中间层层间剪切角均超过中震层间侧移限值1/50,表明该结构体系具有良好抗震延性和抗倒塌性能。     

中柱失效时多层RC平面框架荷载传递机理研究

采用有限元软件SAP2000对中柱失效时多层钢筋混凝土(RC)平面框架抗连续倒塌性能进行了非线性静力分析,研究其抗倒塌的承载力及其对应的荷载传递机理。在模型验证的基础上,对不同加载方式、约束条件、不同跨数的模型及子结构的选取形式进行了分析,并通过结构抗力曲线、各层梁内力变化的对比,研究了平面框架的荷载传递机理。结果表明:荷载施加方式对各层梁内力影响较小,但对于各层中柱轴力分布影响较大;平面框架跨数的增加和空间框架均对所研究的多层平面框架抗力曲线影响不大,但相应梁柱的内力均发生了较大变化;平面框架仅能在一定程度上反映实际结构的受力机理,其与空间子结构中的平面部分还略有差异。     

高层建筑长周期地震反应子结构试验近似模拟方法

提出了一种利用子结构振动台试验近似模拟高层建筑长周期地震反应的改进方法。通过在子结构模型底部设置橡胶垫-质量块装置产生放大作用来弥补现有振动台的试验能力,通过定义传递函数和整体结构目标加速度反应卷积来反推子结构模型的新输入地震动,基于SAP2000软件分别进行20层整体结构模型和2层子结构模型地震线性时程反应分析。对比结果表明,不同地震作用下,两者的顶层目标加速度反应符合较好。研究成果对于拓展地震模拟振动台空间尺度和负载应用方面有一定的参考意义,为长周期作用下高层建筑反应模拟提供一种新的研究方法。     

拟动力试验方法的发展与展望

结构抗震试验是模拟地震作用、分析掌握地震机制及结构抗震性能的有效方法。对拟动力试验技术的研究现状和进展进行了概括总结,分析探讨了拟动力试验特别是基于子结构技术试验的逐步积分方法、加载控制方式、误差分析、拟动力子结构试验、实时子结构试验、远程协同拟动力试验、混合子结构拟动力试验等关键技术,对比分析了拟动力试验技术与其他试验方法的差异,以及拟动力试验技术中基于子结构技术各试验方法间的区别和特点,并进一步阐述了各种拟动力试验的现存问题、应用前景,指出了需要进一步研究的方向。     

基于OpenSees的实时混合模拟试验技术的研究进展∗

实时混合模拟试验技术既可以控制实验成本与规模，又可保证试验数据的准确性，在地震工程中具有良好的发展前景。其中，OpenSees 软件具有灵活高效、材料全面等优势，被广泛作为实时混合模拟试验的数值子结构分析平台。首先，探讨了实时混合模拟试验技术发展历程，梳理了国内外发展重要时间节点；其次，对实时混合模拟理论基础，即实时演算的迭代积分算法的分类与作用进行阐述说明；然后，探究以 OpenSees 软件为数值子结构模拟分析平台，通过 OpenFresco 搭载 TCP/IP 协议实现数值子结构与物理子结构数据交互的混合模拟试验，并依次介绍了国内外重要研究进展；最后，归纳了当前实时混合模拟试验在数值计算与伺服作动器加载方法中存在的问题， 并总结现有的实验精度补偿方法。     

大跨度单层球面网壳抗连续倒塌性能影响因素分析*

为分析大跨度单层球面网壳抗连续倒塌性能的影响因素,通过 Keiwitt?6(K6)型球面网壳缩尺模型的连续倒塌试验,验证有限元模型的正确性。在此基础上,分析了传力路径和初始缺陷对大跨度单层球面网壳抗连续倒塌性能的影响。研究结果表明,两个传力路径依次失效后,网壳主要通过压杆机制抵抗连续倒塌,其破坏模式为局部倒塌。有限元分析结果与试验结果吻合较好。传力路径与初始缺陷对网壳抗连续倒塌性能影响显著：传力路径依次失效时,结构的抗连续倒塌性能可以得到充分发挥,传力路径同时失效时,结构的动力响应明显增大;随着初始几何缺陷大小的增加,网壳的抗连续倒塌性能降低;当初始缺陷大小相同时,结构并非均是在第 1 阶屈曲模态下率先发生连续倒塌。建议考虑传力路径的影响,取前 10 阶屈曲模态进行网壳的连续倒塌分析。     

某钢结构单层工业厂房雪灾倒塌分析

在对某单层工业厂房倒塌现场调查的基础上,对厂房倒塌特征进行了描述,采用有限元方法对钢屋架结构在恒载和屋面活载(或雪荷载)作用下的内力及应进一步力进行了计算,分析了厂房倒塌的原因,分析结果与现场调查情况基本一致,在雪灾抗倒塌分析的基础上,取得了一些有意义的结论和启示。     

结构抗火混合试验方法的研究进展∗

基于构件标准试验的抗火试验方法很难考虑非受火构件对受火构件的约束效应,也难以反映受火构件对整体结构抗火性能的影响,而正在兴起的抗火混合试验方法是解决上述问题的一条重要途径。本文首先简述传统结构抗火试验方法及其面临的问题,进一步阐述了抗震混合试验与抗火混合试验的关系,然后从试验流程原理、典型试验装置及对应力学边界条件、试验子结构选取与数据交换、不同试验方法的结果对比等方面较为系统地介绍了第一代抗火混合试验,并简要介绍了正在进行中的第二代抗火混合试验系统及其特点,最后总结了抗火混合试验中有待进一步深入研究的几个关键科学问题。     

装配式混凝土框架子结构动态倒塌性能试验研究

为了研究装配式混凝土框架结构的连续倒塌性能,设计了 6个比例为1/4的框架子结构模型,通过快速抽柱试验研究了框架梁的跨高比、拼接节点位置和预应力等参数对其动态倒塌性能的影响.试验结果表明,中柱失效后在框架梁端和框架梁拼接节点的后浇混凝土区均产生了少量裂缝;在框架梁跨度相同的情况下,现浇混凝土框架子结构的最大动态位移响应...     

火灾下工程结构连续性倒塌分析与设计方法探讨

给出了火灾下工程结构连续性倒塌的定义,分析了工程结构在火灾作用下的特点,并给出了火灾连续性倒塌判断流程。在介绍目前常用的工程结构抗连续性倒塌分析设计方法的基础上,提出了采用替代路径法中的非线性静力分析方法对建筑结构进行火灾作用下抗连续性倒塌设计的思路。     

输入未知情况下结构复合反演的两步法

研究了输入未知条件下的参数识别问题。针对剪切型结构,提出了其在一类特殊未知载荷下的复合反演算法,此方法假设结构各层上的未知输入之间成比例关系,在不知道这些比例关系的情况下,分两步进行复合反演:第一步,假设某一层上的未知输入为基本未知输入,利用子结构技术,采用遗传算法识别子结构参数和子结构上未知输入之间的比例关系,进而求出基本未知输入;第二步,在基本未知输入已知的情况下,通过最小二乘算法识别其余各层的未知参数和其余各层上未知输入与基本未知输入之间的比例关系。此方法在类似风荷载作用未知情况下的复合反演中具有重要意义,最后用剪切型数值算例验证了算法的合理性。     

连续倒塌中基于顶底角钢-腹板双角钢节点组件模型的研究

钢结构的抗连续倒塌能力一般取决于其抵抗局部损伤的能力,但这种能力往往取决于许多因素,目前还没有一个稳定可靠的判定方法。基于组件法建模原理将顶底角钢-腹板双角钢节点离散为多个对受力有贡献的基本组件,然后通过集成组件来模拟节点的受力特性,并依此构建了顶底角钢-腹板双角钢半刚性节点梁柱子结构的连续倒塌数值分析模型。结果表明:通过与试验结果比较,节点组件模型能较为准确地反映节点的断裂路径和受力发展过程,同时降低了计算成本。说明组件法在连续倒塌研究中具有重要的理论意义和应用价值,可作为连续倒塌研究的有利工具。     

震后火作用下多层钢框架基于火灾荷载密度的易损性分析∗

与地震易损性相比 ,结构震后火的易损性研究尚未深入 。 以三层三跨平面钢框架为研究对象 ,采用 ABAQUS 进行建模,选取火灾荷载密度作为火灾强度指标,同时将耐火极限作为破坏状态指标,采取拉丁超立方法生成了 50 个结构样本,对钢框架进行震后火作用下耐火极限分析和易损性分析,并给出了不同损伤程度的四种破坏状态。研究结果表明：震后火作用下钢框架失效概率随火灾荷载密度的升高而增加;当火灾荷载密度达到最大值时,大震下钢框架发生轻微破坏、中等破坏和严重破坏的概率较高,出现倒塌破坏的概率相对较低;对比三水准地震设防烈度下火灾易损性曲线,随着地震烈度的升高,钢框架发生严重破坏和倒塌破坏的概率也随之增大。     

支撑布置对火灾下钢框架结构抗连续性倒塌性能影响研究

研究了支撑布置对火灾下钢框架结构抗连续性倒塌性能的影响。考虑水平和竖向两种支撑布置形式,前者沿水平向布置在结构顶部,后者布置在结构各楼层,分别考虑其布置在结构边缘或者内部的情况。应用OpenSees软件对某7跨8层平面钢框架结构模型进行了数值分析。结果表明,火灾下结构倒塌始于受火柱的屈曲,该局部破坏向周边传播,导致整体结构下沉式倒塌或侧向倾覆式倒塌。竖向支撑可有效抑制结构的侧向倒塌,但容易导致底层柱的依次屈曲,不建议单独使用;通过将竖向支撑布置在结构内部,可有效阻止破坏向周边结构传播;水平支撑通过平均分配各柱轴压力,有效抑制周边柱的压曲,但容易造成结构局部或是整体侧向倒塌;同时应用两种支撑可有效提高结构抗倒塌性能。     

巨-子结构控制体系地震易损性分析

提出了一种基于性能的巨-子结构控制体系的地震易损性分析方法。定义了巨-子结构控制体系的4个极限状态,提出了基于巨-子结构控制体系极限破坏状态确定结构抗震性能水平限值的方法。通过考虑近场与远场地震动的不确定性,采用增量动力分析(IDA)对比分析了传统巨-子结构抗震体系和巨-子结构控制体系在近、远场地震作用下的地震易损性,并得到了两者的易损性曲线,给出了巨-子结构控制体系的破坏概率。所得结果可供地震灾害的巨-子结构控制体系损伤评估参考。     

基于纤维模型的钢框架连续倒塌抗力机制分析

利用基于纤维模型的梁柱单元建立了框架结构的连续倒塌分析模型。基于Pushdown分析方法,开展了不同破坏工况下的连续倒塌分析,研究局部破坏后剩余结构的连续倒塌抗力机制。分析结果表明,破坏位置不同,剩余结构的抗倒塌机制也不同。在中柱破坏的工况下,剩余结构具备由抗弯机制与悬链线机制提供的抗倒塌承载能力,并且在失效跨内仅有底部第1、第2层梁演化出悬链线效应机制并提供竖向抗倒塌承载力,其余梁体在抗弯机制失效后,未演化出悬链线效应机制。在边柱破坏的工况下,剩余结构仅具备由抗弯机制提供的抗倒塌承载能力,失效跨内梁体均未演化出悬链线效应机制。     

基于弹塑性时程分析的结构地震倒塌时间研究

地震过程中建筑倒塌前的时间段,是人员逃生的重要阶段,研究结构地震倒塌时间规律对人员倒塌逃生避险有重要的意义。针对地震逃生方法研究的需要,基于RC框架结构的典型倒塌模式建立简化结构模型;将60条不同特性的人工地震波输入到8个结构模型得到弹塑性时程分析结果,再以结构损伤指数为1的条件求得结构地震倒塌时刻;利用假设的双重调节模型和回归分析方法,对地震波峰值加速度、特征周期和结构自振周期等因素与倒塌时间的关系进行了研究,结果表明,特征周期和结构自振周期在峰值加速度对倒塌时间的影响中存在双重调节效应;整理已有研究文献的倒塌试验结果与回归模型对比,验证弹塑性时程计算对倒塌时间估算的可行性。