钢结构倒塌有限元模拟
钢结构倒塌有限元模拟
引言与声明
本研究采用有限元软件MSC.Marc和LS-DYNA,对一栋七层钢框架倒塌过程进行了模拟,重点介绍如何采用有限元软件MSC.Marc和LS-DYNA模拟钢结构倒塌过程,主要目的是介绍计算机模拟在相关领域的应用情况,并锻炼有限元分析的技能。本研究仅为研究生学习有限元分析的资料,所有数据均由参与分析的研究生自行假定,仅供学习交流,不得作为任何其他用途。
本次分析由北京工业大学研究生赵子栋、清华大学研究生张弛、廖文杰、金鑫磊、赵鹏举等完成。
研究案例的结构信息
(1)结构布置与构件尺寸
该研究案例的钢结构横向两跨(y方向7m、14m),纵向六跨(x方向每跨8m),标准层平面布置图和典型横向一榀框架图,分别如图1、图2所示,单位mm。钢梁、钢柱均为H型钢,截面尺寸参考《钢结构》教材确定。楼板为120mm厚C30混凝土板。
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图1 标准层平面布置图
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图2 典型横向一榀框架
(2)荷载布置
楼板均布荷载根据《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012初步确定,其中恒载(含自重) 4 kN/m^2,活载2 kN/m^2。考虑到实际使用情况,采用1D+0.5L的荷载施加方式。(D为恒载,L为活载)
(3)材料强度
钢梁、钢柱的材料为Q235B。
(4)初始倾斜模拟
由于结构不可避免会有轻微初始倾斜,因此对结构施加水平荷载以模拟钢结构的初始倾斜,附加水平荷载取0.1%的重力,沿结构纵向施加(即图1中x方向)。
数值模拟
1. MSC.Marc模拟
采用MSC.Marc通用有限元软件建立了该钢结构的三维有限元数值模型。其中,钢结构的梁、柱构件均采用清华大学基于MSC.Marc开发的纤维梁模型进行模拟,可考虑钢结构中杆系构件的局部屈曲。混凝土楼板采用弹性单元模拟,楼板荷载通过折算成混凝土楼板的质量来进行考虑,折算后的密度为4252 kg/m^3。
(1)不考虑底部填充墙的重力工况分析
在考虑初始倾斜的情况下,对结构进行静力分析。结构在0.91倍重力时,中柱发生屈服,出现较多塑性铰,计算结果不收敛。如图3所示。
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图3 重力荷载分析结果
(2)考虑底部填充墙的重力工况分析
然后,使用支撑模拟结构底部填充墙,考虑填充墙的影响,填充墙采用纤维梁单元斜撑模拟,其截面尺寸参考FEMA-356确认。为结构施加0.1%的初始倾斜,在增加支撑的情况下重新进行了重力荷载工况(1.0D+0.5L)下的静力分析,此时结构能够承受全部重力荷载。支撑的布置与重力分析结果如图4所示。
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图4 支撑存在时重力荷载分析结果
(3)拆除底部填充墙的倒塌模拟
在上述初始倾斜与重力荷载稳定的情况下采用非线性动力加载,通过单元生死方法移除模拟填充墙的支撑构件,分析剩余结构的动力响应。在拆除底部支撑构件之后,结构柱沿纵向(x向)屈服,出现塑性铰,最终发生倒塌破坏。结果如图5所示。
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图5 拆除支撑后的倒塌过程
(4)倒塌机制初步分析
上述分析结果表明,填充墙的存在增加了框架柱弱轴的稳定性,使其没有出现失稳而倒塌。在拆除填充墙后,框架柱弱轴方向的约束失效,导致其沿弱轴(即结构的纵向)失效,最终整个结构沿纵向倒塌。
2. LS-DYNA模拟
参考MSC.Marc计算模型,通过有限元软件LS-DYNA模拟了该建筑失去底部填充墙(支撑)后,在上述初始倾斜存在的情况下研究其倒塌情况。
有限元模型如图6所示。该模型中H型梁、柱均采用梁单元,通过改变其截面积分形式来模拟H型梁、柱截面;楼板采用壳单元模拟。结构中荷载通过增加楼板密度,并考虑模型自重的方式代替。为了保持显式分析中加载过程的稳定性,全部加载过程,包括结构重力荷载与水平荷载的加载过程用时8s;在加载完成后第2s,即第10s拆除支撑。模拟分析全过程均采用动力时程分析方法。
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图6 LS-DYNA有限元模型
在LS-DYNA显式动力分析中,在首层支撑存在的情况下对其进行加载后(达到与静力分析中相同的荷载,包括初始倾斜)结构在重力荷载下未倒塌。接下来在重力荷载加载完成后第2s对首层支撑进行动力拆除,发现结构柱发生了沿纵向的屈曲,最终结构完全倒塌,如图7所示。
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图7 拆除支撑后的倒塌过程
总结
本次分析对一栋七层钢框架倒塌过程进行了模拟,介绍了计算机模拟在相关领域的应用情况,锻炼了研究生有限元分析的技能。
参与人员
参与本次分析的有北京工业大学研究生赵子栋、清华大学研究生张弛、廖文杰、金鑫磊、赵鹏举等。同时也感谢北京工业大学李易老师、清华大学陆新征、赵作周老师的宝贵建议与指导。
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赵子栋
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张弛
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廖文杰
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金鑫磊
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赵鹏举
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相关研究
新论文:抗震&防连续倒塌:一种新型构造措施