桿系結(jié)構(gòu)倒塌過(guò)程數(shù)值分析方法.pdf

1、地震中土木工程結(jié)構(gòu)倒塌是造成傷亡和損失的主要原因。結(jié)構(gòu)倒塌的計(jì)算機(jī)模擬不僅可以為解釋結(jié)構(gòu)倒塌現(xiàn)象提供依據(jù)，而且可以為新建結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和已建結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估提供工具。地震作用下結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力反應(yīng)分析存在計(jì)算量巨大的特點(diǎn)，因此土木工程領(lǐng)域的研究者開發(fā)了一些針對(duì)于土木工程結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析程序，但是這些數(shù)值分析程序多以分析中結(jié)構(gòu)仍需處于連續(xù)狀態(tài)為前提，不能對(duì)結(jié)構(gòu)處于嚴(yán)重破壞狀態(tài)甚至倒塌時(shí)的性態(tài)作出合理的分析。因此，研究適用于結(jié)構(gòu)倒塌過(guò)程數(shù)值分析的

2、方法，開發(fā)相應(yīng)的數(shù)值分析程序具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。本文以桿系結(jié)構(gòu)在地震作用下的倒塌過(guò)程為研究對(duì)象，使用面向?qū)ο蟮姆椒ㄩ_發(fā)了結(jié)構(gòu)倒塌數(shù)值分析程序，并在以下幾方面進(jìn)行了理論分析和研究：
　　1.基于平衡理論建立了梁?jiǎn)卧Ｐ?。使用基于單元平衡的思想建立梁?jiǎn)卧灰蕾囉诠潭ㄐ螤畹膯卧灰菩螤詈瘮?shù)，避免了單元位移形狀函數(shù)在某些情況時(shí)不準(zhǔn)確所帶來(lái)的離散誤差。研究了將基于平衡的梁?jiǎn)卧糜诰哂凶兘孛娴牧汉途哂凶儾牧咸匦缘牧簳r(shí)的情況。

3、　　2.給出了基于平衡的梁?jiǎn)卧膸缀闻c材料非線性分析方法。幾何非線性分析方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)和小應(yīng)變問(wèn)題的分析。單元本身僅考慮小變形，避免了現(xiàn)有的單元內(nèi)部位移場(chǎng)建立方法缺陷可能引起的不準(zhǔn)確問(wèn)題?；谄胶獾牧?jiǎn)卧诮孛鎻澗厍赎P(guān)系存在負(fù)剛度段時(shí)計(jì)算出的反應(yīng)在負(fù)剛度段不具有一致性，給出了一種修正的單元積分方案，該方案可獲得一致的負(fù)剛度段反應(yīng)。
　　3.基于平衡的梁?jiǎn)卧獩](méi)有使用單元位移形狀函數(shù)，不能按傳統(tǒng)有限元方式建立單元一致質(zhì)

4、量矩陣。針對(duì)基于平衡的梁?jiǎn)卧?，?gòu)造了一種具有“自適應(yīng)能力”的單元位移形狀函數(shù)，該函數(shù)在梁?jiǎn)卧孛孀兓虿牧咸匦宰兓瘯r(shí)均能準(zhǔn)確的描述單元內(nèi)部的位移變化情況。在此基礎(chǔ)上，給出了一種構(gòu)造單元一致質(zhì)量矩陣的方法，其精度高于傳統(tǒng)梁?jiǎn)卧囊恢沦|(zhì)量矩陣。結(jié)合所給出的單元一致質(zhì)量矩陣，給出了一種新的凝聚單元集中質(zhì)量矩陣的方法，適用于顯式積分，其精度高于傳統(tǒng)梁?jiǎn)卧募匈|(zhì)量矩陣。
　　4.對(duì) Newmark積分方法和一種顯式積分方法用于具有負(fù)剛度的

5、結(jié)構(gòu)時(shí)的數(shù)值穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了研究。結(jié)果表明 Newmark積分方法用于負(fù)剛度結(jié)構(gòu)時(shí)的穩(wěn)定性與用于正剛度結(jié)構(gòu)時(shí)具有很大差異，用于負(fù)剛度結(jié)構(gòu)時(shí)僅具有條件穩(wěn)定性；而顯式方法用于負(fù)剛度結(jié)構(gòu)時(shí)具有無(wú)條件穩(wěn)定性。
　　5.對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的斷裂問(wèn)題進(jìn)行了研究。給出了一個(gè)基于材料層次上的截面破壞指數(shù)模型，可用于判斷截面軸向拉壓和彎曲自由度的損傷和斷裂情況。構(gòu)件斷裂將使結(jié)構(gòu)的自由度增加，為避免引入新自由度帶來(lái)的程序設(shè)計(jì)上的困難和數(shù)值計(jì)算效率的降低，使用