基于CA方法的建筑结构倒塌模拟与人员疏散及伤亡分析研究

主要针对地震灾害作用下建筑结构倒塌的数值模拟、灾害中人员流动和疏散分析、人员伤亡评估进行研究。结合元胞自动机(Cellular automata, CA)方法和有限元方法各自的优势，建立元胞自动机方法与高性能有限单元耦合的数值分析方法，建立梁柱单元和实体单元结合的多尺度建模和分析方法，实现对结构倒塌反应的数值模拟。进行共享性的结构振动台完全倒塌试验，弥补目前结构完全倒塌试验资料严重缺乏的现状。研究基于元胞自动机方法的地震灾害中建筑物内人员流动和疏散的模拟方法，分析结构疏散瓶颈；研究由于结构倒塌所造成的人员伤亡的评估方法，提出改善结构设计中薄弱环节的意见和灾后建筑物内人员聚集区分布及救援建议。本项目对于认知建筑结构在地震灾害作用下的结构倒塌机制、发展结构倒塌数值模拟理论、完善抗震设计规范、减轻地震区结构破坏具有理论意义和实用价值；能为灾害中人员疏散和合理救援等方面提供参考信息和建议。

本项目主要针对地震灾害作用下建筑结构倒塌数值模拟、灾害中人员流动和疏散分析、人员伤亡评估进行研究。基于单元平衡理论建立了具有较高精度且计算量适中的可分析等截面和变截面梁柱的梁柱单元模型。给出了该单元几何与材料非线性分析方法。针对基于平衡的梁柱单元没有使用位移形状函数而无法得到单元一致质量矩阵的问题，提出了针对该单元的一致质量矩阵建立方法，并以此为基础提出了集中质量矩阵和等效节点荷载的建立方法。算例验证表明所开发的梁柱单元具有良好的分析精度，可使用较少单元获得与使用大量传统梁柱单元相一致的分析结果。完成了1/5比例的3层钢筋混凝土框架结构完全倒塌地震模拟振动台试验，使用双目立体视觉测量技术获得了结构倒塌全过程的试验数据，填补了国内外类此试验数据不完整的空白。建立了使用元胞自动机方法（Cellular Automata）模拟地震中人员疏散的模型，该模型考虑了人员行走规律、建筑物出口位置、人群移动对疏散的影响、人员行走过程中对同一位置的竞争原则等，并以此为基础实现了对包含房间、走廊、楼梯等结构单元在内的多层建筑中地震发生时人员疏散过程的数值模拟。将结构在地震作用下倒塌过程的数值模拟与结构内人员疏散过程数值模拟结合，考虑结构与人员的接触碰撞和伤亡判别，给出了通过解析方法获得地震中人员伤亡估计的新方法。分析了人员在建筑物各个区域的伤亡情况和结构中相对安全和危险的区域。考虑地震的危险性、结构反应分析、伤亡易损性分析、伤亡经济损失分析四个步骤，实现了基于性态的人员地震损失评估。