大跨度空间结构抗连续倒塌性能分析方法技术

本发明专利技术公开了一种大跨度空间结构抗连续倒塌性能分析方法，可应用于分析建筑结构因爆炸、汽车撞击、地震等作用而导致局部构件破坏失效后结构的抗连续倒塌能力。本方法在分析中考虑了构件的失效时间、几何非线性、材料非线性及断裂、接触、碰撞等条件，以及构件失效后结构由此产生的惯性、动力效应，更准确地模拟出结构的抗连续倒塌性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及结构的连续倒塌分析领域，具体涉及一种对大跨度空间结构抗连续倒 塌性能的分析方法，可应用于分析建筑结构因爆炸、汽车撞击、地震等作用而导致局部构件 破坏失效后结构的抗连续倒塌能力。
技术介绍
建筑结构的连续性倒塌是指由于意外事件造成结构局部构件破坏，继而引起相邻 其他构件相继破坏，最终形成与初始局部破坏不成比例的结构大范围倒塌或者整体结构倒 塌的现象。建筑结构连续性倒塌一旦发生便会造成严重的人员伤亡和财产损失，因而在设 计阶段，应重视建筑结构在偶然作用下连续性倒塌的潜在风险，进而采取措施防止重要建 筑在偶然作用下的连续性倒塌。 在建筑结构倒塌过程中，梁板柱等构件发生大变形，部分构件断裂破坏，从完好结 构发展为破损结构，从连续体发展为非连续体，原本没有联系的构件可能碰撞到一起，因 此，建筑结构连续性倒塌过程是一个涉及几何非线性、材料非线性、接触非线性并伴有连续 体向非连续体转化的强非线性动力接触碰撞问题。其计算难点在于：1)结构材料由弹性到 弹塑性进而断裂发展的材料非线性计算；2)构件在材料非线性下的大位移大转动甚至不 连续位移场的几何非线性计算；3)构件断裂破坏引起的复杂碰撞接触非线性计算。现有通 用有限元软件一方面难以处理从连续体到非连续体受力的动力学问题；另一方面在处理大 型复杂的建筑结构时，存在建模繁琐、自带材料本构无法模拟构件的断裂失效等问题，很难 推广应用。因此如何解决以上难点和问题，实现结构的连续倒塌破坏全过程数值模拟，是该 领域亟待解决的重要技术。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术旨在提供一种大跨度空间结构抗连续倒塌性能分析 方法，实现在可考虑结构材料由弹性到弹塑性进而断裂失效的材料非线性、构件在材料非 线性下的大位移大转动甚至不连续位移场的几何非线性，以及构件断裂破坏引起的复杂碰 撞-接触问题计算的情况下实现结构连续倒塌全过程模拟分析。 为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案： ，包括如下步骤： S1采用ABAQUS有限元分析软件，通过自编程序将结构设计所采用的结构计算模 型，如PKPM、ETABS和SAP2000,转换为ABAQUS连续倒塌分析的精细化的有限元模型。 需要说明的是，传统方法中，一般在非线性分析软件中建立复杂的有限元模型，耗 时费力且极易出错，严重制约着结构连续倒塌分析的工作效率和发展；而本专利技术通过编制 有限元转换程序，实现了常规结构设计软件的计算模型到结构连续倒塌分析精细化非线性 有限元模型的连续性和继承性，具有建模速度快、可靠准确的优点，从而大大提高了工作效 率。S2按照建筑结构中易遭受偶然作用的部位或如果失效将引起较大范围破坏的标 准选取关键构件。 S3采用ABAQUS中的Standard隐式分析模块设定分析步Step-1对结构进行1. 0 恒荷载+1. 〇活荷载工况下的静力计算。 S4采用ABAQUS的import结果传递技术，将步骤S3中的隐式静力计算的结果导 入ABAQUS的Explicit显式动力分析模块，并作为显式动力分析的初始状态，其中包括模 型、荷载、刚度矩阵、材料的即时状态、应力、应变在内的信息。 需要说明的是，目前现有的方法一般不考虑初始静力阶段的计算，导致与结构实 际受力情况不符，而本专利技术通过结果传递技术可快速、精确的实现初始静力阶段的计算和 结果向后续显式动力分析阶段的传递。S5在隐式静力分析向显式动力分析过渡的过程中修正模型，删除模型中在步骤S2中选定的关键构件的单元，包括其质量、荷载、分组、截面信息，并确保不损坏与其相邻构 件、节点的完整性，一次性完成初始失效构件的去除。 需要说明的是，传统方法模拟关键构件的失效，通常采用瞬时加载法或者等效荷 载卸载法，而这两种方法均是一种利用静力模拟动力的简化方法，而本专利技术采取瞬时、一次 性完成初始失效构件的去除避免了对关键构件失效时间的估计，弥补了瞬时加载法和等效 荷载卸载法的不足，可更准确的考虑构件瞬间失效引起的动力效应。 S6采用ABAQUS的Explicit显式动力分析模块，考虑结构材料由弹性到弹塑性 进而断裂失效的材料非线性、构件在材料非线性下的大位移大转动甚至不连续位移场的几 何非线性，以及构件断裂破坏引起的复杂碰撞-接触问题计算，采用可考虑构件损伤、刚度 退化乃至断裂失效的材料本构关系的材料本构模型进行结构连续倒塌全过程模拟分析，分 析过程中当应力超过材料的极限强度后，软件自动认为构件发生了破坏失效，进而退出工 作。 需要说明的是，在分析过程中从材料本构关系的微观层面自动模拟破坏构件的失 效，避免了传统方法中采用的"生死单元法"需要在每一分析步中检查所有构件的应力应变 状态，对所有构件进行失效判断，根据判断结果"杀死"达破坏状态的构件，待所有构件判断 完毕后更新模型，才能进入下一时间步对剩余结果继续分析，传统"生死单元法"的实现过 程耗时费力，需要占用大量的求解资源，对于复杂的建筑结构模型应用起来存在较大困难。S7根据步骤S6显式动力分析的分析结果，综合指标对结构的抗连续倒塌性能进 行评价，所述指标包括但不限于结构的变形、应力水平和塑性发展情况。由于通过前面步骤 实现了对结构的连续倒塌全过程进行模拟，因而可直观、精确的确定结构的变形、应力和损 伤发展情况，直接确定结构的破坏程度，从而判断结构是否会发生连续倒塌以及其倒塌过 程和倒塌模式，克服了传统方法对结构的倒塌破坏过程模拟不够精细化而只能进行大致判 断的缺点。 需要说明的是，所述步骤S1具体包括： 1. 1)采用ABAQUS软件通过自编程序将结构设计所采用的结构计算模型转换为 ANSYS模型，转换内容包括结构的几何模型、荷载工况和结构构件分组； 1. 2)对步骤1. 1)转换得到的ANSYS模型进行静力及动力计算，并与原结构计算模 型的计算结果进行比较分析，比较分析的内容包括结构在各种荷载工况下的支座反力、结 构变形、结构自振频率及相应的振型；当比较分析结果显示两种模型的计算结果一致时，执 行步骤1. 3);当计算结果不一致时，则回到步骤1. 1)，检查错误，重新转换模型； 1. 3)将作用于结构上的1. 0恒荷载+0. 5活荷载转换为点质量，施加于结构相应节 点上，形成ANSYS动力计算模型； 1. 4)对梁、柱单元进行细分，以保证结构连续倒塌分析的计算精度； 1. 5)对梁、柱单元细分完成后，重新对ANSYS模型进行静力及动力计算，保证计算 结果与原始结构计算模型完全一致； 1. 6)将ANSYS模型转换为ABAQUS连续倒塌分析的精细化的有限元模型。 进一步需要说明的是，步骤1. 4)中，柱划分为3-5段，最小长度为lm;梁根据长度 划分为至少3段，最小长度为lm，最大长度为2. 5m。所有当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
大跨度空间结构抗连续倒塌性能分析方法，其特征在于，包括如下步骤：S1采用ABAQUS有限元分析软件，通过自编程序将结构设计所采用的结构计算模型转换为ABAQUS连续倒塌分析的精细化的有限元模型；S2按照建筑结构中易遭受偶然作用的部位或如果失效将引起较大范围破坏的标准选取关键构件；S3采用ABAQUS有限元分析软件中的Standard隐式分析模块设定分析步step‑1对结构进行1.0恒荷载+1.0活荷载工况下的静力计算；S4采用ABAQUS有限元分析软件的import结果传递技术，将步骤S3中隐式静力计算的结果导入ABAQUS有限元分析软件的Explicit显式动力分析模块，并作为显式动力分析的初始状态，其中包括模型、荷载、刚度矩阵、材料的即时状态、应力、应变在内的信息；S5在隐式静力分析向显式动力分析过渡的过程中修正模型，删除模型中在步骤S2中选定的关键构件的单元，包括其质量、荷载、分组、截面信息，并确保不损坏与其相邻构件、节点的完整性，一次性完成初始失效构件的去除；S6采用ABAQUS有限元分析软件的Explicit显式动力分析模块，考虑结构材料由弹性到弹塑性进而断裂失效的材料非线性、构件在材料非线性下的大位移大转动甚至不连续位移场的几何非线性，以及构件断裂破坏引起的复杂碰撞‑接触问题计算，采用可考虑构件损伤、刚度退化乃至断裂失效的材料本构关系的材料本构模型进行结构连续倒塌全过程模拟分析，分析过程中当应力超过材料的极限强度后，软件自动认为构件发生了破坏失效，进而退出工作；S7根据步骤S6显式动力分析的分析结果，综合指标对结构的抗连续倒塌性能进行评价，所述指标包括但不限于结构的变形、应力水平和塑性发展情况。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：崔家春，安东亚，李承铭，田炜，
申请(专利权)人：华东建筑设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31