基于损伤的剪力墙结构倒塌模拟方法研究

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目前各国的相关规范条文几乎都是基于工程经验或可靠度来考虑结构的抗倒塌设计,其中抗连续倒塌理论相对整体倒塌理论稍显成熟,但仍缺乏全面系统的理论和完备的试验依据,尤其对剪力墙结构的罕遇地震作用的倒塌和连续性倒塌研究甚少,开展对剪力墙结构的倒塌机制、破坏机理研究迫在眉睫。本文从混凝土结构倒塌模拟方法、倒塌判定准则等方面,针对剪力墙结构的损伤演化机理,分别基于材料损伤、构件(单元)损伤、结构损伤模型等方面,采用不同模拟方法和分析平台进行了多方面多层次的研究。首先,基于Park-Ang模型以及众多学者对其进行的改进和修正研究,建立了一种同时考虑变形和滞回耗能的单元损伤模型,在此基础上提出了一种层损伤指数和结构损伤指数的推导方法,即兼顾考虑了构件损伤的程度又考虑了构件所处的楼层位置不同,以及楼层损伤的程度与所在楼层位置的不同对结构损伤指数的影响。其次,给出了建立混凝土损伤塑性本构模型的基本步骤,给出了单轴和多轴受力情况下混凝土的损伤本构方程、损伤演化方程,并将其运用于剪力墙结构的倒塌模拟分析中。第三,基于隐式有限单元法,利用生死单元法并结合本文提出的单元损伤模型及推导的层损伤指数和结构损伤指数的方法,对某剪力墙结构进行了损伤倒塌分析。由层损伤指数推导得到的结构损伤指数在宏观上能反映结构的受力变形演化过程,但不能按照胡聿贤等人提出的损伤指数合理的评价结构的破坏过程,其很大程度上低估了结构损伤指数所对应的结构应处于的破坏状态。第四,采用本文提出的单元损伤模型,利用层损伤指数和结构损伤指数对某剪力墙结构进行了损伤倒塌分析。采用生死单元法模拟结构的受力变形过程与实际情况不相符,倒塌破坏阶段的结构承载力、层间位移角以及层损伤等指数均偏大,偏于保守。采用单元损伤模型模拟能真实反映结构的受力变形过程,符合实际,并借鉴胡聿贤等人提出的损伤状态评价指数,根据本文推导的层损伤指数定义了结构各损伤破坏状态所对应的层损伤状态评价指数。第五,采用混凝土损伤塑性模型,并结合层损伤指数和结构损伤指数对某剪力墙结构进行了损伤倒塌分析。分析表明采用混凝土损伤塑性模型时,结构的承载力、层间位移角、层损伤指数、能量等总体变化趋势与单元生死法和单元损伤模型一致。层间位移角与层损伤指数对应关系差异过大,当结构进入倒塌破坏阶段,层间位移角仍然不再适用。层损伤指数已不能很好地评价结构的受力变形性态,而结构损伤指数则表现良好。可以采用结构损伤指数对结构在整个受力变形响应过程中损伤破坏状态进行定性评价,并给出了结构各损伤破坏状态所对应的结构损伤状态评价指数。
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