CN104820731A - 大跨度空间结构抗连续倒塌性能分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大跨度空间结构抗连续倒塌性能分析方法，可应用于分析建筑结构因爆炸、汽车撞击、地震等作用而导致局部构件破坏失效后结构的抗连续倒塌能力。本方法在分析中考虑了构件的失效时间、几何非线性、材料非线性及断裂、接触、碰撞等条件，以及构件失效后结构由此产生的惯性、动力效应，更准确地模拟出结构的抗连续倒塌性能。

Description

大跨度空间结构抗连续倒塌性能分析方法

技术领域

本发明涉及结构的连续倒塌分析领域，具体涉及一种对大跨度空间结构抗连续倒塌性能的分析方法，可应用于分析建筑结构因爆炸、汽车撞击、地震等作用而导致局部构件破坏失效后结构的抗连续倒塌能力。

背景技术

建筑结构的连续性倒塌是指由于意外事件造成结构局部构件破坏，继而引起相邻其他构件相继破坏，最终形成与初始局部破坏不成比例的结构大范围倒塌或者整体结构倒塌的现象。建筑结构连续性倒塌一旦发生便会造成严重的人员伤亡和财产损失，因而在设计阶段，应重视建筑结构在偶然作用下连续性倒塌的潜在风险，进而采取措施防止重要建筑在偶然作用下的连续性倒塌。

在建筑结构倒塌过程中，梁板柱等构件发生大变形，部分构件断裂破坏，从完好结构发展为破损结构，从连续体发展为非连续体，原本没有联系的构件可能碰撞到一起，因此，建筑结构连续性倒塌过程是一个涉及几何非线性、材料非线性、接触非线性并伴有连续体向非连续体转化的强非线性动力接触碰撞问题。其计算难点在于：1)结构材料由弹性到弹塑性进而断裂发展的材料非线性计算；2)构件在材料非线性下的大位移大转动甚至不连续位移场的几何非线性计算；3)构件断裂破坏引起的复杂碰撞接触非线性计算。现有通用有限元软件一方面难以处理从连续体到非连续体受力的动力学问题；另一方面在处理大型复杂的建筑结构时，存在建模繁琐、自带材料本构无法模拟构件的断裂失效等问题，很难推广应用。因此如何解决以上难点和问题，实现结构的连续倒塌破坏全过程数值模拟，是该领域亟待解决的重要技术。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种大跨度空间结构抗连续倒塌性能分析方法，实现在可考虑结构材料由弹性到弹塑性进而断裂失效的材料非线性、构件在材料非线性下的大位移大转动甚至不连续位移场的几何非线性，以及构件断裂破坏引起的复杂碰撞-接触问题计算的情况下实现结构连续倒塌全过程模拟分析。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

大跨度空间结构抗连续倒塌性能分析方法，包括如下步骤：

S1采用ABAQUS有限元分析软件，通过自编程序将结构设计所采用的结构计算模型，如PKPM、ETABS和SAP2000，转换为ABAQUS连续倒塌分析的精细化的有限元模型。

需要说明的是，传统方法中，一般在非线性分析软件中建立复杂的有限元模型，耗时费力且极易出错，严重制约着结构连续倒塌分析的工作效率和发展；而本发明通过编制有限元转换程序，实现了常规结构设计软件的计算模型到结构连续倒塌分析精细化非线性有限元模型的连续性和继承性，具有建模速度快、可靠准确的优点，从而大大提高了工作效率。

S2按照建筑结构中易遭受偶然作用的部位或如果失效将引起较大范围破坏的标准选取关键构件。

S3采用ABAQUS中的Standard隐式分析模块设定分析步step-1对结构进行1.0恒荷载+1.0活荷载工况下的静力计算。

S4采用ABAQUS的import结果传递技术，将步骤S3中的隐式静力计算的结果导入ABAQUS的Expl ici t显式动力分析模块，并作为显式动力分析的初始状态，其中包括模型、荷载、刚度矩阵、材料的即时状态、应力、应变在内的信息。

需要说明的是，目前现有的方法一般不考虑初始静力阶段的计算，导致与结构实际受力情况不符，而本发明通过结果传递技术可快速、精确的实现初始静力阶段的计算和结果向后续显式动力分析阶段的传递。

S5在隐式静力分析向显式动力分析过渡的过程中修正模型，删除模型中在步骤S2中选定的关键构件的单元，包括其质量、荷载、分组、截面信息，并确保不损坏与其相邻构件、节点的完整性，一次性完成初始失效构件的去除。

需要说明的是，传统方法模拟关键构件的失效，通常采用瞬时加载法或者等效荷载卸载法，而这两种方法均是一种利用静力模拟动力的简化方法，而本发明采取瞬时、一次性完成初始失效构件的去除避免了对关键构件失效时间的估计，弥补了瞬时加载法和等效荷载卸载法的不足，可更准确的考虑构件瞬间失效引起的动力效应。

S6采用ABAQUS的Expl ici t显式动力分析模块，考虑结构材料由弹性到弹塑性进而断裂失效的材料非线性、构件在材料非线性下的大位移大转动甚至不连续位移场的几何非线性，以及构件断裂破坏引起的复杂碰撞-接触问题计算，采用可考虑构件损伤、刚度退化乃至断裂失效的材料本构关系的材料本构模型进行结构连续倒塌全过程模拟分析，分析过程中当应力超过材料的极限强度后，软件自动认为构件发生了破坏失效，进而退出工作。

需要说明的是，在分析过程中从材料本构关系的微观层面自动模拟破坏构件的失效，避免了传统方法中采用的“生死单元法”需要在每一分析步中检查所有构件的应力应变状态，对所有构件进行失效判断，根据判断结果“杀死”达破坏状态的构件，待所有构件判断完毕后更新模型，才能进入下一时间步对剩余结果继续分析，传统“生死单元法”的实现过程耗时费力，需要占用大量的求解资源，对于复杂的建筑结构模型应用起来存在较大困难。

S7根据步骤S6显式动力分析的分析结果，综合指标对结构的抗连续倒塌性能进行评价，所述指标包括但不限于结构的变形、应力水平和塑性发展情况。由于通过前面步骤实现了对结构的连续倒塌全过程进行模拟，因而可直观、精确的确定结构的变形、应力和损伤发展情况，直接确定结构的破坏程度，从而判断结构是否会发生连续倒塌以及其倒塌过程和倒塌模式，克服了传统方法对结构的倒塌破坏过程模拟不够精细化而只能进行大致判断的缺点。

需要说明的是，所述步骤S1具体包括：

1.1)采用ABAQUS软件通过自编程序将结构设计所采用的结构计算模型转换为ANSYS模型，转换内容包括结构的几何模型、荷载工况和结构构件分组；

1.2)对步骤1.1)转换得到的ANSYS模型进行静力及动力计算，并与原结构计算模型的计算结果进行比较分析，比较分析的内容包括结构在各种荷载工况下的支座反力、结构变形、结构自振频率及相应的振型；当比较分析结果显示两种模型的计算结果一致时，执行步骤1.3)；当计算结果不一致时，则回到步骤1.1)，检查错误，重新转换模型；

1.3)将作用于结构上的1.0恒荷载+0.5活荷载转换为点质量，施加于结构相应节点上，形成ANSYS动力计算模型；

1.4)对梁、柱单元进行细分，以保证结构连续倒塌分析的计算精度；

1.5)对梁、柱单元细分完成后，重新对ANSYS模型进行静力及动力计算，保证计算结果与原始结构计算模型完全一致；

1.6)将ANSYS模型转换为ABAQUS连续倒塌分析的精细化的有限元模型。

进一步需要说明的是，步骤1.4)中，柱划分为3-5段，最小长度为1m；梁根据长度划分为至少3段，最小长度为1m，最大长度为2.5m。所有梁、柱最小尺寸不宜小于1m，长度过小将会导致结构在显式计算时计算步长过小，计算量增加。

进一步需要说明的是，步骤1.5)中，梁、柱单元采用ABAQUS弹塑性杆单元B31模拟。该单元采用基于材料的纤维模型，可考虑材料弹塑性损伤和断裂失效的本构关系。

需要说明的是，步骤S2中，可以选作关键构件的包括但不限于结构外围角柱、长边中柱、短边中柱，具有地下停车场和首层具有非控制公共区域的建筑在该层的一根内部支承柱，大跨度空间结构的支座，多根重要构件汇聚处的节点以及容易发生屈曲失稳的受压杆件。

需要说明的是，步骤S4中，隐式分析模块和显式动力分析模块分别采用与之相适应的材料用户子程序，同时保证两个材料子程序中的参数对应一致，隐式分析模块材料用户子程序仅适用于静力计算分析，显式动力分析模块材料子程序仅适用于倒塌过程的动力分析，其中记录了每时刻构件的应力应变，可以判断出构件处于何种受力状态。这样设置的目的在于将隐式分析中的即时材料状态信息有效传递到显式动力分析模块中。

进一步需要说明的是，步骤S6中，具体参数设置如下：

1)采用的计算方法为显式积分算法；

2)通过编制材料用户子程序，建立可考虑材料进入塑性损伤、刚度退化和断裂失效的材料本构关系；

3)通过启用大变形功能考虑构件在材料非线性下的大位移大转动甚至不连续位移场的几何非线性；

4)通过采用罚函数接触算法实现构件碰撞、接触过程的模拟；

5)采用瑞利(Rayleigh)阻尼；

6)时间总长度：结构达到新的平衡状态或者发生连续倒塌的时间长度，通过试算确定。

本发明的有益效果在于：

1)本发明方法通过编制有限元转换程序，实现了快速建立结构连续倒塌分析的精细化非线性有限元模型，包括材料非线性、几何非线性和接触非线性等，提高了ABAQUS有限元模型的建模速度，又可以保证结构计算模型的一致性，实现了常规结构设计软件的计算模型到结构连续倒塌分析精细化非线性有限元模型的连续性和继承性，避免了重新建立有限元模型的复杂过程，具有建模速度快、可靠准确的优点，从而大大提高了工作效率；

2)本发明方法利用ABAQUS的结果传递技术快速、精确地实现初始静力阶段的计算以及结果向后续显式动力分析阶段的传递；

3)本发明方法则避免了对关键构件失效时间的估计，可瞬时、一次性完成初始失效构件的去除，弥补了瞬时加载法和等效荷载卸载法的不足；

4)基于可考虑构件损伤、刚度退化乃至断裂失效的材料本构关系，本发明方法在分析过程中在材料本构关系的微观层面自动模拟破坏构件的失效，避免了传统方法中采用的“生死单元法”需要在每一分析步中检查所有构件的破坏状态；

5)在结构连续倒塌全过程模拟分析中采用了显式积分算法，并编制了材料用户子程序，建立了可考虑构件损伤、刚度退化乃至断裂失效的材料本构关系，另外还启用大变形功能，可考虑构件在材料非线性下的大位移大转动甚至不连续位移场的几何非线性；采用罚函数接触算法，可实现构件碰撞、接触过程的模拟，以及采用了合适的阻尼参数。与现有技术相比，可较好的实现结构连续倒塌过程中材料、几何、接触非线性的问题。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为传统移除关键构件的模拟方法等效荷载卸载法的示意图；

图3为传统的生死单元法的判断流程图；

图4为本发明方法建立的可考虑材料进入塑性损伤、刚度退化和断裂失效的本构关系；

图5为实施例的SAP2000三维计算模型图；

图6为通过自编转换程序转换之后实施例的ABAQUS精细化三维有限元模型图；

图7为实施例选取的关键构件示意图；

图8为实施例中移除关键柱顶节点竖向变形时程曲线；

图9为实施例移除2号柱动力分析过程中结构最大竖向变形(time:0.7s)；

图10为实施例移除2号柱结构趋于稳定后竖向变形(time:20s)。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

本实施例以某机场航站楼的大跨度空间钢屋盖为例进行抗连续倒塌性能分析，其平面尺度大，东西总长约800m，最大宽度约155m；屋盖为大跨度空间桁架体系，屋面最高处标高为36.7m。本实施例结构设计阶段的计算模型是以SAP2000建立的，如图5所示。

如图1所示，进行抗连续倒塌性能分析的步骤包括：

步骤1：建立本实施例连续倒塌分析的精细化有限元模型。

1)首先采用ABAQUS有限元分析软件，通过自编程序将SAP2000模型转换为ANSYS模型，转换内容包括结构的几何模型、荷载工况、结构构件分组等；

2)对ANSYS模型进行静力及动力计算，并与SAP2000模型计算结果进行比较分析，两种模型计算结果应一致，比较分析的内容包括结构在各种荷载工况下的支座反力、结构变形、结构自振频率及相应的振型等，这样才能进行下一步的操作；如果计算结果不一致，则需要返回步骤1)，检查错误，重新进行模型转换；

3)形成ANSYS动力计算模型：将作用于结构上的“1.0恒荷载+0.5活荷载”转换为点质量，施加于结构相应节点上；

4)对梁、柱单元进行细分。为保证结构连续倒塌分析的计算精度，应对梁、柱单元细分，细分的原则为：柱划分为3～5段，最小长度为1m；梁根据长度划分为3段以上，最小长度为1m，最大长度为2.5m；所有梁、柱最小尺寸不宜小于1m，长度过小将会导致结构在显式计算时计算步长过小，计算量增加。对梁、柱单元细分完成后，重新对ANSYS模型进行静力及动力计算，保证计算结果与原始模型完全一致；

5)通过自编转换程序将ANSYS模型转换为ABAQUS连续倒塌分析的精细化的有限元模型，如图6所示。梁、柱单元采用ABAQUS弹塑性杆单元B31模拟，该单元采用基于材料的纤维模型，可考虑材料弹塑性损伤和断裂失效的本构关系。

步骤2：选取关键构件。关键构件的位置一般是建筑易遭受偶然作用的部位以及如果失效将引起较大范围破坏的重要构件。本实施例根据建筑功能中车辆能够靠近的部位，同时考虑跨度较大的位置，确定有可能出现意外事故导致失效的柱子，如图7所示的1号柱和2号柱。

步骤3：初始状态分析及结果传递。采用ABAQUS/Standard隐式分析模块设定分析步step-1对本实施例进行1.0恒荷载+1.0活荷载工况下的静力计算，并将静力计算的最终状态作为后续显式动力分析的初始状态。

步骤4：移除关键构件。本发明方法通过在步骤3隐式静力分析过渡显式动力分析过程中修正模型，删除模型中在步骤2中选定的关键构件的单元，包括其质量、荷载、分组、截面等信息，并确保不损坏与其相邻构件、节点的完整性，从而瞬时、一次性完成初始失效构件的去除。

传统方法模拟关键构件的失效，通常采用瞬时加载法或者等效荷载卸载法，而这两种方法均是一种利用静力模拟动力的简化方法，而本发明采取瞬时、一次性完成初始失效构件的去除避免了对关键构件失效时间的估计，弥补了瞬时加载法和等效荷载卸载法的不足，可更准确的考虑构件瞬间失效引起的动力效应。传统移除关键构件的模拟方法等效荷载卸载法的示意图如图2所示，其中q为梁上作用的均布线荷载；P为中间框架柱轴力的等效反向集中力，去掉中间柱以后，将其轴力反向作用于柱顶梁上相应节点，t₀为集中荷载P全部荷载作用于梁上的时间段；t_p为集中荷载P从全额荷载减小到0的过程所需的时间段。

步骤5：显式动力非线性分析：采用如图4所示的材料本构模型，可考虑构件损伤、刚度退化乃至断裂失效的材料本构关系。图4中，ε_y、f_y,r分别为材料的屈服应变和屈服强度，而ε_u、f_st,r为材料发生断裂时对应的应变和强度。本步骤具体参数设置为：1)计算方法：显式积分算法；2)材料本构关系：编制材料用户子程序，建立了可考虑材料进入塑性损伤、刚度退化和断裂失效的本构关系；3)启用大变形功能，可考虑构件在材料非线性下的大位移大转动甚至不连续位移场的几何非线性；4)采用罚函数接触算法，可实现构件碰撞、接触过程的模拟；5)阻尼：采用瑞利(Rayleigh)阻尼，瑞雷阻尼分为质量阻尼α和刚度阻尼β两部分，其与振型阻尼的换算关系如下：式中ω₁和ω₂可取为结构的第1、2阶圆频率；6)时间总长度：20s。

如图3所示，传统方法中采用的“生死单元法”需要在每一分析步中检查所有构件的应力应变状态，对所有构件进行失效判断，根据判断结果“杀死”达破坏状态的构件，待所有构件判断完毕后更新模型，才能进入下一时间步对剩余结构继续分析，传统“生死单元法”的实现过程耗时费力，需要占用大量的求解资源，对于复杂的建筑结构模型应用起来存在较大困难。

步骤6：结构抗倒塌性能水平评估。分析完成后，可在ABAQUS/CAE后处理模块来查看分析结果。根据步骤5显式动力分析的分析结果，综合考虑结构的变形、应力水平和塑性发展情况等指标，对结构的抗连续倒塌性能进行评价。由于本发明方法通过前面步骤可实现对结构的连续倒塌全过程进行模拟，因而可直观、精确的确定结构的变形、应力和损伤发展情况，直接确定结构的破坏程度，从而判断结构是否会发生连续倒塌以及其倒塌过程和倒塌模式。图8为实施例移除关键柱2顶竖向变形时程曲线；图9为移除2号柱动力分析过程中结构最大竖向变形图(time:0.7s)；图10移除2号柱结构趋于稳定后竖向变形图(time:20s)；可见本实施例在拆除关键柱2后，关键柱顶的挠度在可接受范围内(最大达0.681m)，关键柱上横梁悬挑端竖向挠度增大明显(最大达1.609m)；结构没有出现局部区域的失效，且破坏区域均未向附近区域连续发展，说明2号柱的失效不会导致局部区域的连续性倒塌。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，作出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.大跨度空间结构抗连续倒塌性能分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1采用ABAQUS有限元分析软件，通过自编程序将结构设计所采用的结构计算模型转换为ABAQUS连续倒塌分析的精细化的有限元模型；

S2按照建筑结构中易遭受偶然作用的部位或如果失效将引起较大范围破坏的标准选取关键构件；

S3采用ABAQUS有限元分析软件中的Standard隐式分析模块设定分析步step-1对结构进行1.0恒荷载+1.0活荷载工况下的静力计算；

S4采用ABAQUS有限元分析软件的import结果传递技术，将步骤S3中隐式静力计算的结果导入ABAQUS有限元分析软件的Explicit显式动力分析模块，并作为显式动力分析的初始状态，其中包括模型、荷载、刚度矩阵、材料的即时状态、应力、应变在内的信息；

S5在隐式静力分析向显式动力分析过渡的过程中修正模型，删除模型中在步骤S2中选定的关键构件的单元，包括其质量、荷载、分组、截面信息，并确保不损坏与其相邻构件、节点的完整性，一次性完成初始失效构件的去除；

S6采用ABAQUS有限元分析软件的Explicit显式动力分析模块，考虑结构材料由弹性到弹塑性进而断裂失效的材料非线性、构件在材料非线性下的大位移大转动甚至不连续位移场的几何非线性，以及构件断裂破坏引起的复杂碰撞-接触问题计算，采用可考虑构件损伤、刚度退化乃至断裂失效的材料本构关系的材料本构模型进行结构连续倒塌全过程模拟分析，分析过程中当应力超过材料的极限强度后，软件自动认为构件发生了破坏失效，进而退出工作；

S7根据步骤S6显式动力分析的分析结果，综合指标对结构的抗连续倒塌性能进行评价，所述指标包括但不限于结构的变形、应力水平和塑性发展情况。

2.根据权利要求1所述的大跨度空间结构抗连续倒塌性能分析方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

1.1)采用ABAQUS有限元分析软件通过自编程序将结构设计所采用的结构计算模转换为ANSYS模型，转换内容包括结构的几何模型、荷载工况和结构构件分组；

1.2)对步骤1.1)转换得到的ANSYS模型进行静力及动力计算，并与原结构计算模型的计算结果进行比较分析，比较分析的内容包括结构在各种荷载工况下的支座反力、结构变形、结构自振频率及相应的振型；当比较分析结果显示两种模型的计算结果一致时，执行步骤1.3)；当计算结果不一致时，则回到步骤1.1)，检查错误，重新转换模型；

1.3)将作用于结构上的1.0恒荷载+0.5活荷载转换为点质量，施加于结构相应节点上，形成ANSYS动力计算模型；

1.4)对梁、柱单元进行细分；

1.5)对梁、柱单元细分完成后，重新对ANSYS模型进行静力及动力计算，保证计算结果与原始结构计算模型完全一致；

1.6)将ANSYS模型转换为ABAQUS连续倒塌分析的精细化的有限元模型。

3.根据权利要求2所述的大跨度空间结构抗连续倒塌性能分析方法，其特征在于，步骤1.4)中，柱划分为3-5段，最小长度为1m；梁根据长度划分为至少3段，最小长度为1m，最大长度为2.5m。

4.根据权利要求2所述的大跨度空间结构抗连续倒塌性能分析方法，其特征在于，步骤1.5)中，梁、柱单元采用ABAQUS弹塑性杆单元B31模拟。

5.根据权利要求1所述的大跨度空间结构抗连续倒塌性能分析方法，其特征在于，步骤S2中，可以选作关键构件的包括但不限于结构外围角柱、长边中柱、短边中柱，具有地下停车场和首层具有非控制公共区域的建筑在该层的一根内部支承柱，大跨度空间结构的支座，多根重要构件汇聚处的节点以及容易发生屈曲失稳的受压杆件。

6.根据权利要求1所述的大跨度空间结构抗连续倒塌性能分析方法，其特征在于，步骤S4中，隐式分析模块和显式动力分析模块分别采用与之相适应的材料用户子程序，同时保持两个材料用户子程序中的参数对应一致；其中，隐式分析模块材料用户子程序仅适用于静力计算分析，显式动力分析模块材料用户子程序仅适用于倒塌过程的动力分析，其中记录了每时刻构件的应力应变，可以判断出构件处于何种受力状态。

7.根据权利要求1所述的大跨度空间结构抗连续倒塌性能分析方法，其特征在于，步骤S6中，具体参数设置如下：

1)采用的计算方法为显式积分算法；

2)通过编制材料用户子程序，建立可考虑材料进入塑性损伤、刚度退化和断裂失效的材料本构关系；

3)通过启用大变形功能考虑构件在材料非线性下的大位移大转动甚至不连续位移场的几何非线性；

4)通过采用罚函数接触算法实现构件碰撞、接触过程的模拟；

5)采用瑞利(Rayleigh)阻尼；

6)时间总长度：结构达到新的平衡状态或者发生连续倒塌的时间长度，通过试算确定。