地震力作用下钢筋混凝土框架倒塌过程数值模拟
|
摘要
本文对钢筋混凝土结构地震倒塌机制的问题进行了论述，认为钢筋混凝土框架结构的倒塌破坏过程是一个结构发生损伤并不断积累演化的过程，因此通过研究框架构件和整体结构在地震力作用下的损伤积累来揭示其倒塌破坏的过程。
为了定量描述结构在地震过程中不同时刻的损伤值大小，本文从结构耗能的角度出发，提出了基于弹性变形能的损伤指标，该损伤指标对研究截面、构件和整体结构三个层次上的损伤均适用。针对地震力作用下钢筋混凝土框架结构梁柱的受力特性，对框架进行动力分析时将梁柱构件简化为五段变刚度杆单元，将基于弹性变形能的损伤指标推广到杆件，建立了该五段变刚度杆单元的损伤模型。本文将钢筋混凝土框架结构简化为杆系模型，建立了考虑刚度退化的杆件截面层次上的三线型恢复力模型，并以结构形成机械较机构作为框架倒塌破坏的判断准则。基于本文提出的理论和计算方法，笔者用Visual C++语言编制了计算截面恢复力模型及结构在地震力作用下不同时刻损伤值的相应程序，实现了地震力作用下钢筋混凝土框架结构倒塌过程的数值模拟。
最后，以一个三层两跨的钢筋混凝土框架为例，应用作者自编的程序计算了循环荷载作用下该框架结构在不同时刻的损伤值，并给出了其不同构件及整体结构的损伤演化曲线，揭示了循环荷载作用下钢筋混凝土框架结构的损伤演化规律，为地震力作用下钢筋混凝土结构的倒塌机制问题的研究提供了依据。
The mechanism of collapse of reinforced concrete structure is discussed. It is believed the collapse of reinforced concrete framework is a process in which the structure undergoes damage and the damage accumulate ceaselessly. So through the study of damage accumulation of framework element and whole structure in earthquake can learn its collapsing process.
In order to describe the damaging value of structure under earthquake, the damage parameters based on elastic transformative energy is proposed, which is used to study the damage on section ,component and the whole structure. During dynamic analysis of framework, according to mechanical performance of reinforced concrete frame structure under seismic force, the element of beam and column can be simplify into 5 pole element whose stiffness is variable. Then damage model of 5 pole elements with variable rigidity can be established if the damage parameters based on elastic transformative energy are generalized into pole elements. In this paper the reinforced concrete frame is simplified into pole model and hysteretic model in pole section with consideration of reduced stiffness. The failure criteria is whether the structure has formed mechanical angle.
On the basis of the theory and computing method in this paper, the author worked out corresponding program to compute hysteretic model on section and damage value of the structure under seismic force at different time. Then the numerical simulation of the collapsing process of reinforced concrete structure is thus realized.
At last, take a three-storeyed and two-span reinforced concrete frame as example, its damage value under cyclic load at different time is computed by the program. And the damage evolution curve of different element and whole structure is also obtained. As result the damage evolution law of reinforced concrete structure under cyclic load is found, which provides basis for the study of collapsing mechanism of reinforced structure under seismic force.
为了定量描述结构在地震过程中不同时刻的损伤值大小，本文从结构耗能的角度出发，提出了基于弹性变形能的损伤指标，该损伤指标对研究截面、构件和整体结构三个层次上的损伤均适用。针对地震力作用下钢筋混凝土框架结构梁柱的受力特性，对框架进行动力分析时将梁柱构件简化为五段变刚度杆单元，将基于弹性变形能的损伤指标推广到杆件，建立了该五段变刚度杆单元的损伤模型。本文将钢筋混凝土框架结构简化为杆系模型，建立了考虑刚度退化的杆件截面层次上的三线型恢复力模型，并以结构形成机械较机构作为框架倒塌破坏的判断准则。基于本文提出的理论和计算方法，笔者用Visual C++语言编制了计算截面恢复力模型及结构在地震力作用下不同时刻损伤值的相应程序，实现了地震力作用下钢筋混凝土框架结构倒塌过程的数值模拟。
最后，以一个三层两跨的钢筋混凝土框架为例，应用作者自编的程序计算了循环荷载作用下该框架结构在不同时刻的损伤值，并给出了其不同构件及整体结构的损伤演化曲线，揭示了循环荷载作用下钢筋混凝土框架结构的损伤演化规律，为地震力作用下钢筋混凝土结构的倒塌机制问题的研究提供了依据。
The mechanism of collapse of reinforced concrete structure is discussed. It is believed the collapse of reinforced concrete framework is a process in which the structure undergoes damage and the damage accumulate ceaselessly. So through the study of damage accumulation of framework element and whole structure in earthquake can learn its collapsing process.
In order to describe the damaging value of structure under earthquake, the damage parameters based on elastic transformative energy is proposed, which is used to study the damage on section ,component and the whole structure. During dynamic analysis of framework, according to mechanical performance of reinforced concrete frame structure under seismic force, the element of beam and column can be simplify into 5 pole element whose stiffness is variable. Then damage model of 5 pole elements with variable rigidity can be established if the damage parameters based on elastic transformative energy are generalized into pole elements. In this paper the reinforced concrete frame is simplified into pole model and hysteretic model in pole section with consideration of reduced stiffness. The failure criteria is whether the structure has formed mechanical angle.
On the basis of the theory and computing method in this paper, the author worked out corresponding program to compute hysteretic model on section and damage value of the structure under seismic force at different time. Then the numerical simulation of the collapsing process of reinforced concrete structure is thus realized.
At last, take a three-storeyed and two-span reinforced concrete frame as example, its damage value under cyclic load at different time is computed by the program. And the damage evolution curve of different element and whole structure is also obtained. As result the damage evolution law of reinforced concrete structure under cyclic load is found, which provides basis for the study of collapsing mechanism of reinforced structure under seismic force.
引文
[1] 林家浩，丁殿明，田玉山．串联多自由度体系弹塑性地震反应分析．大连工学院学报．1979，18(4)：41～53
[2] 沈聚敏，张玉良．弯剪型多自由度体系非弹性地震反应的简化分析．清华大学科学研究报告第三集．1981
[3] 潘士颉，许哲明．框架结构的非线性地震反应分析．同济大学学报．1980，2：23～27
[4] Shing-Sham Lai, Geoge T, Will Shunsuke 0tani. Model for inelastic Biaxial Bending of Concrete Memders. Journal of Structural Engineering. 1984,110(11):68～93
[5] Takida T, Sozen M A, Nielson N N. Rcinforced Concrete Response to Simulated Earthquakes.Journal of Structural Division, ASCE, 1970;96(ST12):112～138
[6] 冯世平，翁义军，沈聚敏．反复荷载作用下钢筋混凝土框架屈服后的性能．清华大学学报(自然科学版)．1998．28：31～43
[7] 潘士颉，许哲明．框架结构的弹塑性地震反应分析．地震工程论文集．北京：科学出版社，1982
[8] 孙焕纯．平面框架结构弹塑性过程分析．大连工学院学报．1979，2：29～37
[9] 沈聚敏，张铜生．钢筋混凝土剪力墙—框架结构的非弹性地震反应分析．清华大学研究报告，1982．
[10] 林加浩，丁殿明，田玉山．串联多自由度体系弹塑性地震反应分析．地震工程论文集，北京：科学出版社，1982
[11] 汪梦甫，沈蒲生．高层混凝土结构非线性地震反应分析现状．世界地震工程．1998，2：1～8
[12] 朱伯龙，董振祥．钢筋混凝土非线性分析．上海：同济大学出版社，1985
[13] 王前信，王孝信．工程结构地震力理论．北京：地震出版社，1979
[14] 谢和平．岩石混凝土损伤力学．北京：中国矿业大学出版社，1990
[15] 楼志文．损伤力学基础．西安：西安交通大学出版社，1991
[16] 尹双增．断裂损伤理论及应用．北京：清华大学出版社，1992
[17] 沈祖炎，董宝，曹文衔．结构损伤积累分析的研究现状和存在的问题．同济大学学报．1997．2：135～139
[18] 陈永祁，龚思礼．结构在地震时延性和累积塑性耗能的双重破坏准则．建筑结构学报．1986，1：35～39
[19] 董聪，丁辉，高嵩．结构损伤识别定位的基本原理和方法．中国铁道科学．1999，3：89～94
[20] 白国良，赵鸿铁．反复加载时型钢钢筋混凝土框架柱的损伤过程．西安建筑科技大学学报．1998(9)：215～232
[21] 董聪．基于动力特性的结构损伤定位方法．力学与实践．1999，2：62～63
[22] 周先雁．混凝土平面杆系结构破损评估理论及试验研究．湖南大学学报．1995，22(4)：104～109
[23] 周先雁．用应变模态对混凝土结构进行损伤识别的研究．湖南大学学报．1997，5：69～74
[24] Kumar S,Usami T.A note on evaluation of damage in steel structure under cyclic loading.JSCE,J Struc
Engg,1994,40:177～188
[25] 王松平．空间框架结构裂纹位置识别的模态应变能法．兰州大学学报．2002，2：43～47
[26] 李闲兴．钢筋混凝土空间结构的地震损伤评估．结构工程科学发展青年专家研讨会论文集．1992：165～174
[27] 杜修力，欧进萍．钢筋混凝土结构低周疲劳效应对地震累积破坏的影响．结构工程科学发展青年专家研讨会论文集．1992：65～72
[28] 杜修力，刘勇生．强震持时对钢筋混凝土结构地震累积破坏的影响．地震工程与工程振动．1992，9：67～72
[29] 李洪泉，欧进萍．钢筋混凝土结构地震损伤识别方法．哈尔滨建筑大学学报．1996，2
[30] 李洪，泉吴波，欧进萍．结构地震损伤后的抗震能力评估与实验．南京工业大学学报．2002，1
[31] 吴波，李惠，马忠诚．钢筋混凝土结构在火灾和低周反复荷载作用下的的损伤分析．哈尔滨建筑大学学报．1997(6)．
[32] 吴波，李惠，李玉华．结构损伤分析的力学方法．地震与工程振动．1997，13：14～22
[33] 周先雁，刘希，沈浦生．用含裂纹的梁单元识别混凝土框架结构损伤．振动工程学报．1999．12(1)：115～119
[34] 李军旗．钢筋混凝土构件损伤模型．兰州铁道学院学报．2000，3：13～17
[35] 李洪泉，雷立宏，吕西林．钢筋混凝土压弯构件低周疲劳损伤的抗力衰减试验研究．南京建筑工程学院学报．1998．(3)：10～16
[36] 顾祥林，孙飞飞．混凝土结构的计算机仿真．上海：同济大学出版社，2000
[37] 戴国莹，钟益村．杆系框架弹塑性地震反应简化计算．力学学报．1985．
[38] 魏琏，戴国莹．杆系结构弹塑性地震反应简化计算．建筑结构学报．1981(3)
[39] H. Barton. Seismic Damage in RC Frames.ASCE,1981.107(ST9):69～106
[40] Darmin,Nmai.Energy Dissipationi in RC Beams under Cyclic Load.ASCE, 1986, 112(8): 112～149
[41] Chin-Hsung Loh..Seismic Damage Assessment Based on Different Hysteretic Rules.EESD, 1990,19:95～124
[42] 冯世平，沈聚敏．钢筋混凝土框架结构的地震倒塌反应．地震工程与工程振．1989，1：45～47
[43] 杜修力，尹之潜，李小军．RC框架结构地震倒塌反应分析．哈尔滨建筑工程学院学报．1992，3：67～71
[44] 秦文欣．结构地震倒塌机理和多重模糊破坏评估：[博士学位论文]．哈尔滨：哈尔滨工业大学．1994
[45] 甘泉．钢筋混凝土抗震框架倒塌机制分析：[硕士学位论文]．西安：西安建筑科技大．1995
[46] G.W.Houser. Limit Design of Structure to Resist Earthquakes .Proc.IWCEE, 1956:44～48
[47] Park Y J ,Ang A H S. Mechanistic seismic damage model for reinforced concrete.ASCE. J of Structural Engineering, 1985,111 (4):722～739
[48] 沈聚敏．钢筋混凝土结构的非线性地震反应分析与倒塌评估．中国地震工程研究进展．北京：地震出版社，1992：164～167
[49] 甘泉，黄良璧．钢筋混凝土抗震框架倒塌分析．西安建筑科技大学学报．1998．30(1)：1～4
[49] 龙驭球，包世华．结构力学．北京：高等教育出版社，1992
[50] 刘尔烈．有限单元法及程序设计．天津：天津大学出版社．1999
[51] 吕西林，卢文生．框架结构的振动台试验和面向设计的时程分析方法．地震工程与工程振动．1998．18(2)：48～58
[52] 焦双健，冯启民，付长文．钢筋混凝土框架结构地震破坏的计算机模拟方法．地震工程与工程振动．2002(4)
[53] 周详赞．地震作用下钢筋混凝土框架结构的计算机仿真．申请同济大学硕士学位论文．2000．
[54] 江见鲸，傅德炫，王立翔．建筑结构计算机分析及程序．北京：清华大学出版社，1998
[55] 王超龙 陈志华VC++6．0入门与提高．北京：人民邮电出版社，2002
[2] 沈聚敏，张玉良．弯剪型多自由度体系非弹性地震反应的简化分析．清华大学科学研究报告第三集．1981
[3] 潘士颉，许哲明．框架结构的非线性地震反应分析．同济大学学报．1980，2：23～27
[4] Shing-Sham Lai, Geoge T, Will Shunsuke 0tani. Model for inelastic Biaxial Bending of Concrete Memders. Journal of Structural Engineering. 1984,110(11):68～93
[5] Takida T, Sozen M A, Nielson N N. Rcinforced Concrete Response to Simulated Earthquakes.Journal of Structural Division, ASCE, 1970;96(ST12):112～138
[6] 冯世平，翁义军，沈聚敏．反复荷载作用下钢筋混凝土框架屈服后的性能．清华大学学报(自然科学版)．1998．28：31～43
[7] 潘士颉，许哲明．框架结构的弹塑性地震反应分析．地震工程论文集．北京：科学出版社，1982
[8] 孙焕纯．平面框架结构弹塑性过程分析．大连工学院学报．1979，2：29～37
[9] 沈聚敏，张铜生．钢筋混凝土剪力墙—框架结构的非弹性地震反应分析．清华大学研究报告，1982．
[10] 林加浩，丁殿明，田玉山．串联多自由度体系弹塑性地震反应分析．地震工程论文集，北京：科学出版社，1982
[11] 汪梦甫，沈蒲生．高层混凝土结构非线性地震反应分析现状．世界地震工程．1998，2：1～8
[12] 朱伯龙，董振祥．钢筋混凝土非线性分析．上海：同济大学出版社，1985
[13] 王前信，王孝信．工程结构地震力理论．北京：地震出版社，1979
[14] 谢和平．岩石混凝土损伤力学．北京：中国矿业大学出版社，1990
[15] 楼志文．损伤力学基础．西安：西安交通大学出版社，1991
[16] 尹双增．断裂损伤理论及应用．北京：清华大学出版社，1992
[17] 沈祖炎，董宝，曹文衔．结构损伤积累分析的研究现状和存在的问题．同济大学学报．1997．2：135～139
[18] 陈永祁，龚思礼．结构在地震时延性和累积塑性耗能的双重破坏准则．建筑结构学报．1986，1：35～39
[19] 董聪，丁辉，高嵩．结构损伤识别定位的基本原理和方法．中国铁道科学．1999，3：89～94
[20] 白国良，赵鸿铁．反复加载时型钢钢筋混凝土框架柱的损伤过程．西安建筑科技大学学报．1998(9)：215～232
[21] 董聪．基于动力特性的结构损伤定位方法．力学与实践．1999，2：62～63
[22] 周先雁．混凝土平面杆系结构破损评估理论及试验研究．湖南大学学报．1995，22(4)：104～109
[23] 周先雁．用应变模态对混凝土结构进行损伤识别的研究．湖南大学学报．1997，5：69～74
[24] Kumar S,Usami T.A note on evaluation of damage in steel structure under cyclic loading.JSCE,J Struc
Engg,1994,40:177～188
[25] 王松平．空间框架结构裂纹位置识别的模态应变能法．兰州大学学报．2002，2：43～47
[26] 李闲兴．钢筋混凝土空间结构的地震损伤评估．结构工程科学发展青年专家研讨会论文集．1992：165～174
[27] 杜修力，欧进萍．钢筋混凝土结构低周疲劳效应对地震累积破坏的影响．结构工程科学发展青年专家研讨会论文集．1992：65～72
[28] 杜修力，刘勇生．强震持时对钢筋混凝土结构地震累积破坏的影响．地震工程与工程振动．1992，9：67～72
[29] 李洪泉，欧进萍．钢筋混凝土结构地震损伤识别方法．哈尔滨建筑大学学报．1996，2
[30] 李洪，泉吴波，欧进萍．结构地震损伤后的抗震能力评估与实验．南京工业大学学报．2002，1
[31] 吴波，李惠，马忠诚．钢筋混凝土结构在火灾和低周反复荷载作用下的的损伤分析．哈尔滨建筑大学学报．1997(6)．
[32] 吴波，李惠，李玉华．结构损伤分析的力学方法．地震与工程振动．1997，13：14～22
[33] 周先雁，刘希，沈浦生．用含裂纹的梁单元识别混凝土框架结构损伤．振动工程学报．1999．12(1)：115～119
[34] 李军旗．钢筋混凝土构件损伤模型．兰州铁道学院学报．2000，3：13～17
[35] 李洪泉，雷立宏，吕西林．钢筋混凝土压弯构件低周疲劳损伤的抗力衰减试验研究．南京建筑工程学院学报．1998．(3)：10～16
[36] 顾祥林，孙飞飞．混凝土结构的计算机仿真．上海：同济大学出版社，2000
[37] 戴国莹，钟益村．杆系框架弹塑性地震反应简化计算．力学学报．1985．
[38] 魏琏，戴国莹．杆系结构弹塑性地震反应简化计算．建筑结构学报．1981(3)
[39] H. Barton. Seismic Damage in RC Frames.ASCE,1981.107(ST9):69～106
[40] Darmin,Nmai.Energy Dissipationi in RC Beams under Cyclic Load.ASCE, 1986, 112(8): 112～149
[41] Chin-Hsung Loh..Seismic Damage Assessment Based on Different Hysteretic Rules.EESD, 1990,19:95～124
[42] 冯世平，沈聚敏．钢筋混凝土框架结构的地震倒塌反应．地震工程与工程振．1989，1：45～47
[43] 杜修力，尹之潜，李小军．RC框架结构地震倒塌反应分析．哈尔滨建筑工程学院学报．1992，3：67～71
[44] 秦文欣．结构地震倒塌机理和多重模糊破坏评估：[博士学位论文]．哈尔滨：哈尔滨工业大学．1994
[45] 甘泉．钢筋混凝土抗震框架倒塌机制分析：[硕士学位论文]．西安：西安建筑科技大．1995
[46] G.W.Houser. Limit Design of Structure to Resist Earthquakes .Proc.IWCEE, 1956:44～48
[47] Park Y J ,Ang A H S. Mechanistic seismic damage model for reinforced concrete.ASCE. J of Structural Engineering, 1985,111 (4):722～739
[48] 沈聚敏．钢筋混凝土结构的非线性地震反应分析与倒塌评估．中国地震工程研究进展．北京：地震出版社，1992：164～167
[49] 甘泉，黄良璧．钢筋混凝土抗震框架倒塌分析．西安建筑科技大学学报．1998．30(1)：1～4
[49] 龙驭球，包世华．结构力学．北京：高等教育出版社，1992
[50] 刘尔烈．有限单元法及程序设计．天津：天津大学出版社．1999
[51] 吕西林，卢文生．框架结构的振动台试验和面向设计的时程分析方法．地震工程与工程振动．1998．18(2)：48～58
[52] 焦双健，冯启民，付长文．钢筋混凝土框架结构地震破坏的计算机模拟方法．地震工程与工程振动．2002(4)
[53] 周详赞．地震作用下钢筋混凝土框架结构的计算机仿真．申请同济大学硕士学位论文．2000．
[54] 江见鲸，傅德炫，王立翔．建筑结构计算机分析及程序．北京：清华大学出版社，1998
[55] 王超龙 陈志华VC++6．0入门与提高．北京：人民邮电出版社，2002