基于向量式有限元的消能减震钢框架结构地震倒塌破坏机理及抗倒塌性能研究

It is commonly believed that energy dissipation components should not lose its function when designing an energy dissipation structure. The past earthquakes showed that they were likely to have serious damage and failure, which would have a great impact on the safety of an energy dissipation structure. Structural collapse is an important limiting state for disaster resistance of structures. There are three difficult problems include description of discontinuous field, contact and collide, large deformation and displacement during structural collapse simulation and analysis. This project takes the VFIFE method as the basic tool to analyze steel frame structures with energy dissipation devices under strong earthquakes. The failure criterion of energy dissipation components will be proposed through theoretical and experimental research. The entire-process damage and collapse of earthquakes excited steel frames with energy dissipation devices will be simulated in order to assure the damage extent under strong earthquakes. The influence factors of structural damage and collapse will be explored, include design parameters and the limit state performance for energy dissipation components, the connection of energy dissipation components with members of a main structure, different failure parts of energy dissipation components and these components’ arrangement. Then, the method of collapse modes for steel structures with energy dissipation devices will be put forward. This project provides a foundation for seismic damage prediction and anti-collapse seismic measures and design for energy dissipation structures. It makes a contribution to developing the dynamic catastrophe, collapse failure criterion and defense methods for steel frame structures with energy dissipation devices under the action of strong earthquakes.

通常设计消能减震结构时认定消能构件不应丧失功能，而已有震害表明其有可能发生严重损伤和破坏，这将对结构安全性造成很大影响。强震作用下结构倒塌破坏是结构抗灾能力的一个重要极限状态，在结构倒塌分析中存在不连续场描述、接触碰撞分析及大位移、大转动三个难点问题。本项目以向量式有限元方法作为基本工具，以消能减震钢框架结构为研究对象，通过实验和理论研究提出消能构件失效准则，建立其损伤、破坏失效的分析模型；利用程序开发和数值模拟实现消能减震结构强震作用下的倒塌全过程仿真演示及分析，揭示此类结构倒塌破坏的演变机理及共性规律，建立消能减震结构抗倒塌性能评价方法；探索消能构件设计参数、极限状态性能、消能构件与主体结构连接及不同消能构件失效部位和布置方式与消能减震结构倒塌模式的关联性，在此基础上，提出消能减震结构倒塌模式控制理论，为发展消能减震结构在地震作用下的动力灾变和倒塌破坏准则及设计方法做出贡献。

通常设计消能减震结构时认定消能构件不应丧失功能，而已有震害表明其有可能发生严重损伤和破坏，这将对结构安全性造成很大影响。强震作用下结构倒塌破坏是结构抗灾能力的一个重要极限状态，在结构倒塌分析中存在不连续场描述、接触碰撞分析及大位移、大转动三个难点问题。本项目基于向量式有限元基本理论，提出按单元节点力计算应变能的方法和能量计算公式，通过能量守恒验证了所提出的应变能计算方法的正确性；首次将向量式有限元应用到连续倒塌Pushdown分析，考虑了Pushdown分析大转动和弹塑性、结构和机构转化等复杂问题，研究了悬链线和梁铰两种抗力机制的形成机理和演化过程。以附加粘滞阻尼器、自复位耗能支撑、防屈曲支撑的消能减震钢框架结构为研究对象，通过实验和理论研究提出消能构件失效准则，建立其损伤、破坏失效的分析模型，提出了竖向位移和转角位移放大系数指标，研究了底层柱失效位置、构件失效时间和材料屈服强度对剩余钢框架结构在竖向均布荷载作用下动力响应的影响，针对不同的因素给出了相应的建议。研究了半刚性连接对钢框架结构抗倒塌性能的影响，通过分析拆柱前后剩余结构位移和内力的变化量，研究节点连接刚度对剩余结构在上部不平衡荷载作用下内力重分布规律的影响。结合单元内力和变数据拟定构件的断裂准则和断裂模式，在理论和程序层面建立模拟断裂现象的实施方法和过程，在实现准确的断裂、自由落体运动、碰撞以及碰撞反应的前提下，利用程序开发和数值模拟实现消能减震空间结构强震作用下的倒塌全过程仿真演示及分析，揭示此类结构倒塌破坏的演变机理及共性规律，建立消能减震结构抗倒塌性能评价方法；探索消能构件设计参数、极限状态性能、消能构件与主体结构连接及不同消能构件失效部位和布置方式与消能减震结构倒塌模式的关联性，在此基础上，提出消能减震结构倒塌模式控制理论。此外，对钢-混凝土组合梁框架的抗连续倒塌性能和考虑填充墙影响的钢框架抗倒塌性能开展研究，为发展消能减震结构在地震作用下的动力灾变和倒塌破坏准则及设计方法做出贡献。