RC空间框架填充墙结构连续倒塌可视化模拟与安全性评定

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“911”事件转眼间已过去11年,可当年世贸大厦轰然倒塌的情景却时时警示着人们,结构一旦发生连续性倒塌,必将导致惨重的人员伤亡和经济损失,甚至造成恶劣的社会影响,因此,建筑结构的抗连续倒塌性能越来越受到社会的重视。我国在建筑结构连续倒塌方面的研究起步较晚,对钢筋混凝土(RC)空间框架填充墙结构的连续倒塌问题更是研究不多。本文以OpenSees为有限元分析平台,以DONAP为可视化模拟工具,对RC空间框架填充墙结构连续倒塌的可视化模拟与安全性评定等问题进行了较为深入系统的研究,主要研究内容如下:(1)OpenSees软件因其具有非线性数值模拟精度高、源代码高度开放及易于协同开发等优点,越来越受到广大研究者的重视。但鉴于其薄弱的可视化环节,本文作者和清华大学软件学院研究生合作,在可视化仿真软件DONAP基础上,开发了结构动态反应可视化界面——OpenSeesGUI,实现了动画跟踪求解结果变化、单元的线或棱柱可视化方式调整等可视化功能,并解决了OpenSees在DONAP中运行不稳定等问题。(2)为验证填充墙纤维截面相互作用模型的准确性,本文选取了一组已完成试验研究的框架填充墙结构,对其进行OpenSees建模,将有限元模拟结果与试验结果进行对比验证。结果表明:框架填充墙结构有限元模型P-滞回曲线与试验的骨架曲线,在塑性下降段相差比较大,究其原因发现填充墙模型采用的理想弹塑性材料与现实填充墙材料性能不符;由此本文采用Hysteretic材料替换理想弹塑性材料对原填充墙模型进行改进,结果发现新填充墙模型性能与试验填充墙性能吻合良好。(3)为研究RC空间框架填充墙结构的抗连续倒塌能力,对一栋6层双跨RC空间框架填充墙结构进行了OpenSees建模,采用瞬间拆除结构底层两根框架柱的备用荷载路径方法,进行了非线性动力分析(NDA),并将分析结果与试验结果进行了对比验证。文中还对RC纯框架结构进行了抗连续倒塌性能分析,并将分析结果与填充墙结构的分析结果进行了对比,从定量的角度探讨了填充墙对框架结构抗连续倒塌能力的影响。结果表明:两种结构在底层两框架柱被移除的情况下,并没有立刻发生连续倒塌,但结构的连续倒塌势很强;RC空间框架填充墙结构的抗连续倒塌能力强于RC空间纯框架结构的抗连续倒塌能力,填充墙对结构的抗连续倒塌性能起到增强的作用。(4)为了从定量的角度评估RC空间框架填充墙结构的抗连续倒塌能力,采用Pushdown分析(PDA)和竖向增量动力分析(IDA)方法,根据强度冗余系数(SRF)、剩余影响系数(RIF)和损伤强度比(DSR)三种鲁棒性指标,对结构的抗连续倒塌能力进行了确定性分析。结果表明:对于RC框架填充墙结构,静力PDA方法得出的抗连续倒塌能力要比动力竖向IDA方法得出的大很多,说明对于填充墙结构的抗连续倒塌能力分析,静力PDA方法偏于保守。采用PDA方法和竖向IDA方法,均发现填充墙结构的鲁棒性指标要比纯框架结构的鲁棒性指标大20%至50%,填充墙从一定程度上提高了结构的鲁棒性。(5)为了研究RC空间框架填充墙结构的连续倒塌易损性,考虑了结构性能不确定性的影响,采用改进的拉丁超立方体抽样法,分别获得了100个性能不同的框架填充墙结构和纯框架结构样本,并对其采用PDA和竖向IDA方法进行了易损性分析。结果表明:对于RC空间纯框架结构及框架填充墙结构,采用PDA方法和竖向IDA方法,均发现结构发生连续倒塌的概率小于0.1%;对比RC空间纯框架结构和框架填充墙结构得出的易损性曲线,发现在同一荷载α (D+0.25L)作用下,填充墙结构的连续倒塌概率要远小于纯框架结构的连续倒塌概率(其中α在1到2之间)。
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