基于离散单元法的钢筋混凝土框架结构强震倒塌过程仿真

采用离散单元法能够模拟钢筋混凝土框架结构的倒塌过程，但由于缺乏描述复杂受力条件下梁柱构件力学行为的单元模型，无法合理、准确地模拟结构的非线性地震反应，不能保证倒塌过程模拟的正确性。本项目拟在以往的杆段多弹簧模型基础上，借鉴有限单元法中的纤维模型，建立基于钢筋混凝土梁柱构件物理力学特性的杆段-纤维离散单元模型，以较少的计算量实现离散单元法对于梁柱构件非线性行为的准确模拟。通过试验研究构件在复杂受力条件下的失效断裂机理，并建立在材料层次上的构件失效与断裂破坏判定准则，较为细致地描述强震作用下梁柱构件承载力失效以及由连续至断裂的破坏过程。并建立整体结构的系统模型，创建强震作用下钢筋混凝土框架结构倒塌全过程的精细化分析方法，解决现有数值分析方法无法同时准确描述结构非线性反应和倒塌过程的难题。本项目有助于深入理解强震作用下结构的倒塌破坏机理，为结构的抗倒塌性能评估、减轻倒塌危害提供有效分析方法。

采用离散单元法能够模拟钢筋混凝土框架结构的倒塌过程，以便开展结构破坏机理和倒塌机制的研究。但由于缺乏描述复杂受力条件下梁柱构件力学行为的单元模型，离散单元法无法合理、准确地模拟结构的非线性地震反应，不能保证倒塌过程模拟的正确性。. 本项目借鉴有限单元法中的纤维模型，建立基于钢筋混凝土梁柱构件物理力学特性的杆段-纤维离散单元模型，采用材料层次上的2个钢筋、2个混凝土单轴本构关系与截面层次上剪切、扭转本构关系描述梁柱构件的非线性力学行为，以较少的计算量实现了离散单元法对于梁柱构件非线性行为的准确模拟。. 本项目研究了材料失效与构件宏观失效、断裂的关系，提出基于材料单轴受力特性的断裂失效破坏准则，以及多向受力条件下破坏准则间的耦合关系，能够合理、细致地描述强震作用下梁柱构件承载力失效以及由连续至断裂的破坏过程。. 本项目提出采用更新的拉格朗日格式并结合有限段方法的思想来描述结构单元的位形变化，从而实现了结构中梁柱构件发生大位移、大转动时的几何非线性行为描述。. 本项目构建了钢筋混凝土框架结构的系统模型，在梁柱构件之间的节点区构建节点单元，进而形成整体结构单元之间的拓扑关系，并提出相应的阻尼、计算时步等计算参数确定方法。采用上述系统模型，本项目编制了基于杆段-纤维模型的钢筋混凝土框架非线性与倒塌分析程序SMS-Collapse。通过读取PKPM结构设计软件建立的结构几何、材料与配筋信息，转换建立杆段-纤维离散单元模型，实现了参数化建模与结构分析。分析程序可以输出结构指定位置的受力、屈服、断裂发展情况，并予以图形显示。从而建立了一套集三维几何建模、数值求解、显示等能力为一体的数值仿真系统。. 在梁柱构件的杆段-纤维离散单元模型基础上，本项目拓展构建了钢筋混凝土墙板构件的多弹簧壳单元模型，以实现对结构中墙板构件的非线性及倒塌破坏过程分析。. 为验证模型及所编制程序的正确性,课题组对多个钢筋混凝土柱构件、墙构件、平面与空间框架结构进行了非线性与破坏过程的数值分析。计算结果表明，杆段纤维模型、多弹簧壳单元模型可以真实、正确描述结构、构件的反应。本项目创建了强震作用下钢筋混凝土框架结构倒塌全过程的精细化分析方法，解决了现有数值分析方法无法同时准确描述结构非线性反应和倒塌过程的难题。