设置粘滞阻尼器的钢框架结构竖向连续倒塌分析

作     者：宋全宝 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曲激婷

授予年度：2018年

学科分类：081405[工学-防灾减灾工程及防护工程] 08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：向量式有限元 连续倒塌 瞬时卸载法 粘滞阻尼器 非线性动力分析 

摘      要：建筑结构的连续倒塌过程涉及大变形、大转动及弹塑性等复杂非线性力学行为,故所采用的分析程序应能够瞬时改变结构的刚度矩阵和几何形状,现有的有限元方法在处理结构断裂倒塌问题时存在一定的局限;向量式有限元是以向量力学和数值计算为基础的一种新型数值计算方法,在求解结构大变形、大转动、倒塌等复杂问题方面表现出了独特的优势。由于消能减震结构具有减震机理明确、减震效果显著且安全可靠等优点,易于在工程中推广应用,因此,消能减震技术的应用形式和范围也越趋广泛。目前,对于结构抗竖向连续倒塌的研究多集中于普通抗震结构,对附加阻尼器的消能减震结构和隔震结构的竖向连续倒塌研究较少。在此背景下,本文研究了附加粘滞阻尼器的钢框架结构的竖向连续倒塌分析,并在此基础上讨论了消能减震结构的抗连续倒塌性能和破坏机理。本文基于向量式有限元理论建立了考虑初始变形的结构动力连续倒塌弹塑性模型,提出了构件拆除前静力分析和构件拆除后动力分析全过程统一的瞬时卸载法,主要从结构连续倒塌影响因素、消能减震结构抗连续倒塌性能分析和断裂倒塌数值模拟三个方面,深入研究了钢框架结构的连续倒塌动力行为,主要研究内容如下:（1）对比有限单元法、离散元法和非连续变形分析等数值方法在结构断裂倒塌分析中遇到的计算难点,介绍向量式有限元在处理结构断裂倒塌等复杂行为时的优势和特点。详细论述了向量式有限元的基本理论,基于该理论建立了粘滞阻尼单元,并通过数值算例验证了编写的平面钢框架结构动力分析和粘滞阻尼单元程序的正确性。（2）采用瞬时卸载法对一平面钢框架结构进行动力弹塑性分析,提出了竖向位移和转角位移放大系数指标,研究了底层柱失效位置、构件失效时间和材料屈服强度对剩余结构在竖向均布荷载作用下动力响应的影响,针对不同的因素给出了相应的建议,为提高建筑结构抗竖向连续倒塌性能和工程设计提供参考。（3）研究了粘滞阻尼器在结构抗竖向连续倒塌性能中的需求,通过拆柱前后结构内力的变化量指标,研究了布置阻尼器时剩余结构上部不平衡荷载引起的动力效应作用区域和内力传递模式,讨论了阻尼器的布置对材料屈服强度变化的影响。（4）建立平面梁单元的断裂准则和模式,通过MATLAB编写结构断裂程序,对布置粘滞阻尼器前后的钢框架结构在底层柱失效及水平地震作用两种荷载模式下的断裂倒塌行为进行了数值模拟,对结构断裂倒塌过程进行预测和跟踪,深入研究了结构发生连续倒塌的破坏过程,对比研究阻尼器在结构倒塌破坏过程中的作用。