工程與技術(shù)科學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科

不同抗震設(shè)防RC框架結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的研究

施煒，葉列平，陸新征，等

目的：建筑結(jié)構(gòu)抗地震倒塌能力是結(jié)構(gòu)抗震性能的核心目標(biāo)。目前我國(guó)現(xiàn)行抗震規(guī)范第二階段抗地震倒塌驗(yàn)算一般僅針對(duì)少數(shù)重要建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行；而對(duì)大量一般房屋建筑，則主要依賴結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)造措施，缺乏抗地震倒塌的定量計(jì)算方法和抗地震倒塌能力的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)。我國(guó)發(fā)生的多次大震中，極震區(qū)及其周邊區(qū)域的實(shí)際地震烈度往往比規(guī)定的設(shè)防烈度大得多，因此建筑結(jié)構(gòu)不僅應(yīng)當(dāng)滿足規(guī)定烈度下的抗震要求，還需要具備足夠的抗倒塌安全儲(chǔ)備來抵抗可能遭遇特大震的倒塌破壞，這就要求對(duì)結(jié)構(gòu)抗地震倒塌能力和抗倒塌安全儲(chǔ)備加以定量化評(píng)估。2008年汶川地震的震害調(diào)查結(jié)果表明，按照我國(guó)現(xiàn)行抗震規(guī)范設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)，抗大震和特大地震倒塌的能力還有待進(jìn)一步提高，為此需開展結(jié)構(gòu)抗地震倒塌能力評(píng)價(jià)方法、大震抗倒塌定量設(shè)計(jì)方法以及特大地震倒塌能力的研究。方法：本文設(shè)計(jì)了一組抗震設(shè)防烈度不同而其他設(shè)計(jì)條件均相同的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，并對(duì)對(duì)中間榀框架進(jìn)行設(shè)計(jì)、建模和分析。分析采用的地震波數(shù)據(jù)庫為ATC-63報(bào)告建議的22條遠(yuǎn)場(chǎng)地震波，另外增加常用的El-Centro波，一共23條。以ATC-63建議的結(jié)構(gòu)第一周期地震影響系數(shù)Sa（T1）作為地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)該組地震記錄進(jìn)行歸一化處理。通過基于動(dòng)力增量時(shí)程分析方法（IDA，Incremental Dynamic Analysis）的結(jié)構(gòu)抗倒塌易損性分析，定量給出了結(jié)構(gòu)的抗倒塌儲(chǔ)備系數(shù)（CMR，Collapse Margin Ratio），并對(duì)結(jié)構(gòu)抗地震倒塌能力的影響因素進(jìn)行了研究。其中，本文采用清華大學(xué)土木系基于MSC。MARC分析軟件開發(fā)的鋼筋混凝土桿系結(jié)構(gòu)纖維模型 ThuFiber程序進(jìn)行建模和分析，以倒塌的真實(shí)物理定義“結(jié)構(gòu)喪失豎向承載力而不能維持保障人員安全的生存空間”作為倒塌的判據(jù)，在計(jì)算分析中，當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件墜落超過1/3層高，視為倒塌已經(jīng)充分發(fā)展。結(jié)果：（1）不同設(shè)防烈度框架結(jié)構(gòu)在相應(yīng)罕遇地震時(shí)的倒塌概率分別為0%、4%、0%、0% 和 0%；在特大地震的倒塌概率分別為 0%、65%、4%、13% 和0%；CMR分別為3.29、1.60、2.06、2.70和2.82。（2）同一結(jié)構(gòu)在不同地震輸入下的倒塌失效模式存在差異。但基本變化規(guī)律是，隨著結(jié)構(gòu)設(shè)防烈度的提高，結(jié)構(gòu)臨界倒塌時(shí)發(fā)生屈服的塑性區(qū)越來越多，塑性變形發(fā)展程度也越來越高，即全部或大部分構(gòu)件均參與抵抗地震作用，耗散地震輸入能量。（3）結(jié)構(gòu)抗倒塌安全儲(chǔ)備指標(biāo)CMR與最大設(shè)計(jì)柱軸壓比存在負(fù)相關(guān)性。各框架模型的最大設(shè)計(jì)柱軸壓比均在底層，故底層柱軸壓比對(duì)框架結(jié)構(gòu)的抗倒塌安全儲(chǔ)備有著決定性影響。結(jié)論：（1）在大震作用下基本能夠滿足抗倒塌要求，但在遭遇特大地震時(shí)，7度（0.10 g）設(shè)防框架的抗倒塌能力明顯存在不足。（2）柱截面尺寸是影響結(jié)構(gòu)抗地震倒塌能力的重要因素。設(shè)防烈度低[6度，7度（0.10 g）]的結(jié)構(gòu)往往柱截面尺寸較小，柱軸壓比較大，底層柱腳缺乏足夠的變形能力，是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌的薄弱部位，抗地震倒塌能力和抗倒塌安全儲(chǔ)備相對(duì)較低。隨著設(shè)防烈度的提高，柱截面尺寸相應(yīng)增大，柱軸壓比減小，底層柱腳變形能力增強(qiáng)，遭遇強(qiáng)震時(shí)結(jié)構(gòu)中由更多的其它樓層構(gòu)件參與抵抗地震作用、耗散地震能量的能力增大，抗地震倒塌能力的抗倒塌安全儲(chǔ)備相對(duì)較高。（3）建議規(guī)范可考慮更嚴(yán)格控制軸壓比，或增加底層框架柱的箍筋約束，來提高低設(shè)防烈度（尤其是7度設(shè)防）框架結(jié)構(gòu)的底層柱抗震性能，提高其抗地震倒塌能力。

來源出版物：工程力學(xué), 2011, 28(3): 41-48，68

入選年份：2014

鋼-混凝土組合梁疲勞性能研究綜述

聶建國(guó)，王宇航

摘要：目的：組合梁在20世紀(jì)五六十年代開始應(yīng)用于實(shí)際工程，由于使用時(shí)間不長(zhǎng)，遠(yuǎn)未到達(dá)其疲勞壽命，因此還沒有一起組合橋梁和組合吊車梁的疲勞破壞事故發(fā)生，疲勞荷載對(duì)組合梁造成的影響還未充分表現(xiàn)出來。隨著人們對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞問題的認(rèn)識(shí)逐漸深入，組合梁的疲勞問題開始引起人們的重視。為了進(jìn)一步推廣和應(yīng)用具有明顯經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的鋼-混凝土組合梁，對(duì)國(guó)內(nèi)外鋼-混凝土組合梁疲勞性能的研究現(xiàn)狀進(jìn)行回顧和分析，以供實(shí)際工程設(shè)計(jì)參考。方法：對(duì)已有關(guān)于鋼-混凝土組合梁疲勞性能研究的文獻(xiàn)進(jìn)行歸類總結(jié)，其中關(guān)于栓釘疲勞性能的研究?jī)?nèi)容主要包括栓釘?shù)钠趬勖?，鋼與混凝土界面滑移和疲勞破壞形態(tài)等。對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)鋼-混凝土組合梁疲勞的試驗(yàn)研究、計(jì)算方法以及相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行綜述和分析評(píng)價(jià)，論述組合梁的疲勞破壞形態(tài)和影響因素，搜集國(guó)內(nèi)外大量栓釘疲勞試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，分析總結(jié)各國(guó)規(guī)范，包括《歐洲規(guī)范4》、日本《鋼-混凝土組合梁橋規(guī)范》和美國(guó)《公路和橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（AASHTO）等，對(duì)組合梁疲勞問題的條文規(guī)定，并在大量計(jì)算結(jié)果及分析規(guī)律的基礎(chǔ)上給出設(shè)計(jì)建議。結(jié)果：栓釘疲勞壽命對(duì)其所承受的剪應(yīng)力幅最為敏感，當(dāng)栓釘承受的應(yīng)力上限接近甚至等于栓釘?shù)撵o力抗剪強(qiáng)度時(shí)，無論應(yīng)力幅多大，栓釘都將很快發(fā)生疲勞破壞，建議用界面滑移量來評(píng)估承受低周疲勞荷載的栓釘?shù)钠趬勖?。栓釘?shù)撵o力抗剪強(qiáng)度與栓釘母材的強(qiáng)度、混凝土的強(qiáng)度和彈性模量有關(guān)，這三個(gè)因素對(duì)栓釘?shù)钠趬勖灿兴绊?。目前已有的試?yàn)結(jié)果表明，鋼-混凝土組合梁疲勞破壞模式主要為栓釘疲勞剪切破壞和鋼梁受拉翼緣受拉破壞，而混凝土板由于基本處于受壓狀態(tài)，因此不存在疲勞破壞問題。結(jié)論大多數(shù)研究主要集中于組合梁中栓釘?shù)钠谛阅?，而組合梁中栓釘?shù)氖芰顟B(tài)與推出試驗(yàn)中栓釘?shù)氖芰顟B(tài)有差別，建議進(jìn)一步開展鋼-混凝土組合梁的整梁疲勞試驗(yàn)，以考察實(shí)際梁中栓釘?shù)钠谛阅堋；跀嗔蚜W(xué)等理論，對(duì)栓釘疲勞性能進(jìn)行理論分析，從而突破傳統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的方法。通過已有的推出試驗(yàn)得到的鋼與混凝土界面的滑移規(guī)律以及鋼材和混凝土的疲勞本構(gòu)，推導(dǎo)組合梁在疲勞荷載作用下的剛度退化規(guī)律。

來源出版物：工程力學(xué), 2012, 29(6): 1-11

入選年份：2014

建筑隔震結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展與分析

朱宏平，周方圓，袁涌

摘要：目的：基礎(chǔ)隔震技術(shù)在減震控制效果、防災(zāi)減災(zāi)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，近幾十年在建筑結(jié)構(gòu)與橋梁工程領(lǐng)域中取得了成功應(yīng)用。本文全面綜述了國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)建筑隔震技術(shù)方面取得的研究成果以及工程應(yīng)用研究現(xiàn)狀，為建筑基礎(chǔ)隔震技術(shù)進(jìn)一步的研究工作的制定提供參考。方法：查閱國(guó)內(nèi)外基礎(chǔ)隔震相關(guān)文獻(xiàn)，將現(xiàn)有研究成果主要分為疊層橡膠支座體系、滑動(dòng)摩擦體系、組合隔震體系、以鋼筋瀝青隔震和砂墊層隔震體系為代表的新型隔震體系等幾方面進(jìn)行介紹。其中，考慮到高阻尼橡膠支座因其所特有的耗能優(yōu)勢(shì)及無污染特點(diǎn)，目前正成為研究的熱點(diǎn)，本文予以重點(diǎn)介紹。另外，本文還對(duì)隔震技術(shù)在高層建筑領(lǐng)域中取得的進(jìn)展及存在的問題進(jìn)行了闡述，討論了我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)以及層間隔震研究的下一步發(fā)展方向。結(jié)果：總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究表明：（1）在橡膠隔震體系中，常用的橡膠支座包括天然橡膠支座、鉛芯橡膠支座和高阻尼橡膠支座，其中高阻尼橡膠支座由于其較強(qiáng)的阻尼性能和無污染的特點(diǎn)，目前正成為研究熱點(diǎn)并逐步得到推廣應(yīng)用。然而，高阻尼橡膠支座由于其材料的頻率相關(guān)性、位移相關(guān)性等復(fù)雜的力學(xué)性能，目前仍缺少較為精確的本構(gòu)模型。（2）為防止支座在較大地震作用下發(fā)生永久變形，在高烈度地區(qū)，高阻尼橡膠支座常和阻尼器組合使用，其中，形狀記憶合金阻尼器因其具有超彈性特性和高阻尼特性，目前成為隔震領(lǐng)域里的一個(gè)研究熱點(diǎn)。（3）組合隔震體系由滑動(dòng)摩擦隔震支座和疊層橡膠隔震支座并聯(lián)組成，基本原理是系統(tǒng)中的疊層橡膠隔震支座提供系統(tǒng)的向心恢復(fù)力，而滑動(dòng)摩擦隔震支座提供滯回耗能，隔離地震。所以，這種組合隔震體系兼有疊層橡膠隔震體系和滑動(dòng)摩擦隔震體系的優(yōu)點(diǎn)，有效避免了各自的缺點(diǎn)，近年來得到國(guó)內(nèi)外的廣泛應(yīng)用。（4）隨著城鎮(zhèn)及經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)問題逐步引起人們的重視，開發(fā)適用于農(nóng)村地區(qū)的成本隔震系統(tǒng)也正形成新的研究熱點(diǎn)。（5）雖然已經(jīng)存在高層建筑隔震的實(shí)際工程應(yīng)用，但是隔震技術(shù)在高層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用仍然存有疑點(diǎn)，有待進(jìn)一步研究。（6）目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于層間隔震體系的理論研究成果還不很充分，理論研究明顯滯后于工程應(yīng)用，大多數(shù)的研究是針對(duì)某一實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和相應(yīng)的動(dòng)力分析。結(jié)論：目前關(guān)于高阻尼橡膠隔震支座的非線性模型的研究已經(jīng)取得了初步的進(jìn)展，但由于高阻尼橡膠支座復(fù)雜的非線性應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，如何提出一個(gè)合理的非線性模型來模擬高阻尼橡膠支座的動(dòng)力特性仍有待進(jìn)一步的完善；雖然已經(jīng)在實(shí)際工程中得到應(yīng)用，高層建筑隔震仍然存在一定的疑問和缺陷；層間隔震的理論研究仍落后于工程應(yīng)用；隨著研究的深入，及新材料、新工藝的進(jìn)一步發(fā)展，新的隔震設(shè)計(jì)思路和新的隔震體系也會(huì)不斷出現(xiàn)。要使隔震技術(shù)更加實(shí)用，隔震的設(shè)計(jì)理論有待進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)盡快制定適合我國(guó)國(guó)情和材料性能特點(diǎn)的隔震設(shè)計(jì)規(guī)范。

來源出版物：工程力學(xué), 2014, 31(3): 1-10

入選年份：2014

基于OpenSees的RC框架-核心筒超高層建筑抗震彈塑性分析

解琳琳，黃羽立，陸新征，等

摘要：目的：近年來世界范圍內(nèi)地震頻發(fā)，使得高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能研究成為一個(gè)熱點(diǎn)問題。大量研究表明，數(shù)值模擬已經(jīng)成為研究高層和超高層結(jié)構(gòu)抗震性能的一個(gè)有效手段，其中OpenSees（Open System for Earthquake Engineering Simulation）作為一款開源的有限元軟件已經(jīng)逐漸發(fā)展成為地震工程領(lǐng)域最具影響力的開放科研平臺(tái)之一。但是目前OpenSees主要用于構(gòu)件和較小規(guī)模結(jié)構(gòu)的抗震性能研究，基于OpenSees的復(fù)雜結(jié)構(gòu)抗震性能研究尚未見報(bào)道。這主要是因?yàn)镺penSees的單元以纖維梁柱模型為主，該模型不能方便準(zhǔn)確的考慮多種剪力墻（包括開洞剪力墻、帶翼緣剪力墻和筒體）的復(fù)雜受力特性，從而阻礙了基于OpenSees的超高層地震災(zāi)變研究的開展。本研究的目的：是在OpenSees中開發(fā)可以考慮剪力墻復(fù)雜受力特性的分層殼模型和相應(yīng)的多維材料本構(gòu)模型，并通過對(duì)一系列剪力墻算例和一框架－核心筒超高層建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析，驗(yàn)證開發(fā)的剪力墻模型的合理性和準(zhǔn)確性，為進(jìn)一步發(fā)展基于OpenSees的超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能分析提供參考。方法：在分層殼單元中，混凝土處于二維受力狀態(tài)，需要開發(fā)合適、可靠且魯棒性的混凝土二維本構(gòu)模型。本研究提出采用基于損傷力學(xué)和彌散裂縫模型來模擬分層殼單元中混凝土的二維受力行為。受壓損傷參考 L?land建議的受壓損傷演化曲線，受拉損傷參考 Mazars建議的受拉損傷演化曲線。對(duì)于剪力墻內(nèi)的分布鋼筋，本研究基于OpenSees中現(xiàn)有的單軸鋼筋模型開發(fā)了相應(yīng)的多維鋼筋模型。本研究對(duì)大量剪力墻構(gòu)件算例分別采用纖維梁模型和分層殼模型進(jìn)行模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證所建立的分層殼單元的合理性、準(zhǔn)確性和通用性?；诖耍狙芯坎捎美w維模型（模擬梁柱）和分層殼模型（模擬剪力墻），對(duì)一42層 141.8 m的 RC框架-核心筒超高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析、推覆分析和動(dòng)力時(shí)程分析，并將計(jì)算結(jié)果與相應(yīng)的MSC。Marc模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證該模型進(jìn)行超高層結(jié)構(gòu)彈塑性分析的合理性和可靠性。結(jié)果：（1）對(duì)于剪跨比較大且配有足夠水平抗剪鋼筋的矩形剪力墻構(gòu)件和帶翼緣剪力墻構(gòu)件，由于其基本受彎曲破壞控制，所以本研究提出的分層殼模型和纖維模型的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果均吻合良好。（2）對(duì)于剪跨比較小的剪力墻構(gòu)件，由于其主要受剪切破壞控制，纖維模型模擬結(jié)果相對(duì)較差，而分層殼模型則能較好的反映彎剪耦合受力特性；對(duì)于聯(lián)肢剪力墻，纖維模型建模繁瑣且不能很好的考慮剪跨比比較小的墻肢和跨高比較小的連梁的剪切破壞，因此不適用于該類構(gòu)件，而分層殼模型則能很好的反應(yīng)其復(fù)雜受力特性。（3）對(duì)框架-核心筒超高層結(jié)構(gòu)分別采用OpenSees 和MSC。Marc進(jìn)行分析，兩者模態(tài)分析結(jié)果吻合良好；推覆分析結(jié)果整體吻合良好，局部略有差異，但可以滿足相關(guān)研究需求；110 gal、300 gal、510 gal和1000 gal下兩者頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線基本一致，各層層間側(cè)移角包絡(luò)也基本吻合。結(jié)論：（1）本研究在OpenSees中開發(fā)并集成了分層殼模型用于模擬超高層結(jié)構(gòu)中的剪力墻，并通過對(duì)一系列剪力墻構(gòu)件進(jìn)行模擬驗(yàn)證了本研究該模型的可靠性、合理性和通用性。（2）本研究建立了基于OpenSees的RC框架核心筒超高層結(jié)構(gòu)彈塑性分析的體系，將分析結(jié)果與MSC。Marc的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，兩者吻合良好，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文提出的單元的合理性和可靠性，為進(jìn)一步基于OpenSees開展超高層建筑結(jié)構(gòu)的地震災(zāi)變行為研究提供參考。

來源出版物：工程力學(xué), 2014, 31(1): 64-71

入選年份：2014

鋼筋混凝土纖維梁柱單元實(shí)用模擬平臺(tái)

禚一，李忠獻(xiàn)

摘要：目的：地震作用下鋼筋混凝土長(zhǎng)大橋梁結(jié)構(gòu)往往進(jìn)入非線性損傷破壞階段，而精細(xì)化結(jié)構(gòu)地震模擬方法對(duì)準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)的非線性地震響應(yīng)尤為重要。為精細(xì)化模擬鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的非線性滯回性能，本文建立一種實(shí)用模擬平臺(tái)用于結(jié)構(gòu)地震災(zāi)變過程的模擬與分析。方法：利用纖維單元模型的基本原理編制纖維梁柱單元模型，結(jié)合ABAQUS求解器建立纖維梁柱單元的實(shí)用模擬平臺(tái)FENAP，并開發(fā)與平臺(tái)相適應(yīng)的鋼和混凝土單軸材料庫。其實(shí)現(xiàn)過程如下：（1）開發(fā)纖維梁柱單元模型。按照“先離散，后綜合”的思想，通過結(jié)構(gòu)、單元、截面、纖維和材料5個(gè)計(jì)算層次進(jìn)行逐次離散，然后通過材料層次計(jì)算的纖維應(yīng)力和切線模量結(jié)果原路返回求解結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。結(jié)構(gòu)的非線性計(jì)算可多次重復(fù)上述過程，最終得到結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。（2）開發(fā)鋼和混凝土材料本構(gòu)模型。根據(jù)彈塑性力學(xué)基本原理開發(fā)包括理想彈塑性本構(gòu)模型和雙線性等向強(qiáng)化本構(gòu)模型的鋼材本構(gòu)模型；根據(jù) Yassin提出的混凝土損傷本構(gòu)模型基本原理開發(fā)混凝土本構(gòu)模型。（3）建立 FENAP模擬平臺(tái)。通過與ABAQUS前處理模塊相結(jié)合開發(fā)的FENAP/Fiber_BC Element，ABAQUS/Standard求解器以及與ABAQUS后處理模塊相結(jié)合開發(fā)的 FENAP/Posts三部分組建完整的鋼筋混凝土纖維梁柱單元實(shí)用FENAP模擬平臺(tái)。結(jié)果：通過采用FENAP平臺(tái)模擬分析鋼圓形截面墩柱的滯回性能和鋼筋混凝土矩形截面懸臂梁的滯回性能驗(yàn)證FENAP模擬平臺(tái)的準(zhǔn)確性及高效性。對(duì)鋼圓形截面墩柱進(jìn)行模擬分析可以看出：1FENAP計(jì)算得到結(jié)構(gòu)層次上的鋼圓形截面墩柱的墩頂力-位移關(guān)系曲線與Opensees所得結(jié)果基本一致，曲線吻合較好，滿足精度要求。2FENAP平臺(tái)計(jì)算過程中僅花費(fèi)了53 s，且在每個(gè)單元中僅使用2個(gè)積分點(diǎn)就能夠達(dá)到Opensees采用5個(gè)積分點(diǎn)得到的結(jié)果精度。對(duì)矩形截面懸臂梁進(jìn)行模擬分析可以看出：（1）采用FENAP平臺(tái)計(jì)算的結(jié)果與 Opensees相比，梁端力-位移和截面彎矩-曲率關(guān)系曲線均吻合較好，均具有較好的計(jì)算精度。在每級(jí)反復(fù)三次的加卸載過程中，F(xiàn)ENAP平臺(tái)能很好的描述構(gòu)件的剛度退化、強(qiáng)度退化效應(yīng)。（2）計(jì)算得到的混凝土纖維應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線表明該平臺(tái)能較好的模擬混凝土材料在受壓和受拉方向的剛度退化及受拉剛化效應(yīng)，可有效模擬混凝土在反復(fù)加載過程中的損傷行為。（3）FENAP平臺(tái)在計(jì)算過程中僅耗費(fèi)589 s。結(jié)論：本文建立了一種基于ABAQUS的鋼筋混凝土精細(xì)化纖維梁柱單元的模擬平臺(tái) FENAP，該平臺(tái)界面友好，方便實(shí)用，能有效模擬構(gòu)件的剛度退化、強(qiáng)度退化等損傷效應(yīng)以及軸力和彎矩的多維耦合效應(yīng)等復(fù)雜非線性動(dòng)力行為；在FENAP平臺(tái)中建立了獨(dú)立的單軸材料庫，添加了多種材料本構(gòu)模型，能模擬鋼和混凝土材料的多種非線性行為，且設(shè)定了可擴(kuò)展的材料庫接口，方便后期添加更多的用戶材料本構(gòu)模型；FENAP平臺(tái)可有效模擬橋梁構(gòu)件的多種復(fù)雜非線性行為，且計(jì)算效率和求解精度高，為長(zhǎng)大橋梁地震災(zāi)變過程模擬提供了一種實(shí)用分析手段。

來源出版物：工程力學(xué), 2011, 28(4): 102-108，127

入選年份：2015

混凝土框架結(jié)構(gòu)火災(zāi)連續(xù)倒塌數(shù)值分析模型

李易，陸新征，葉列平，等

摘要：目的：在運(yùn)用有限元程序?qū)︿摻罨炷两Y(jié)構(gòu)及鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行彈塑性分析時(shí)，材料本構(gòu)關(guān)系是決定結(jié)構(gòu)體系的有限元模擬結(jié)果能否反映結(jié)構(gòu)體系真實(shí)抗震反應(yīng)的關(guān)鍵所在。鋼材為各向同性的金屬材料，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了各種成熟的本構(gòu)關(guān)系，能夠考慮鋼材的彈性、彈塑性、強(qiáng)化、斷裂以及包興格效應(yīng)等，并且得到了充分的試驗(yàn)驗(yàn)證，因此目前鋼材的本構(gòu)模型已經(jīng)較為成熟。而混凝土材料本質(zhì)上是一種混合材料，在拉、壓方向上具有不同的力學(xué)性能，并且存在強(qiáng)化、軟化、開裂以及損傷等復(fù)雜受力行為，精確的本構(gòu)模型不易建立。因此需要調(diào)查研究通用有限元程序中的混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系，保證結(jié)構(gòu)體系彈塑性分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。方法：詳細(xì)介紹ABAQUS所提供的混凝土彌散開裂模型和塑性損傷模型兩種材料本構(gòu)模型的基礎(chǔ)理論，然后結(jié)合已有的結(jié)構(gòu)構(gòu)件試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析，重點(diǎn)關(guān)注于混凝土本構(gòu)模型中的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件及組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件滯回特性的影響，并指出分析實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)不同的混凝土材料模型的適用范圍。結(jié)果：對(duì)于單調(diào)荷載作用下的受彎構(gòu)件，采用彌散開裂模型和塑性損傷模型均能對(duì)混凝土構(gòu)件或組合構(gòu)件的宏觀反應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬，且兩者的計(jì)算結(jié)果比較接近。彌散開裂模型對(duì)于混凝土裂面行為的模擬較為準(zhǔn)確，適用于分析混凝土開裂后應(yīng)力-應(yīng)變空間不斷變化的受力情況，但混凝土的剪力傳遞系數(shù)需要進(jìn)行仔細(xì)的調(diào)整，才能得到較為滿意的結(jié)果。彌散開裂模型的滯回規(guī)則與混凝土材料的實(shí)際受力行為相差較大且不能進(jìn)行調(diào)整，而塑性損傷模型的滯回規(guī)則較為符合實(shí)際。因此在相關(guān)參數(shù)設(shè)置合理的前提下，塑性損傷模型可用于混凝土結(jié)構(gòu)或組合結(jié)構(gòu)在往復(fù)荷載作用下的受力行為模擬，而彌散開裂模型只適用于結(jié)構(gòu)在單調(diào)荷載作用下的力學(xué)行為分析。結(jié)論彌散開裂模型未考慮混凝土在承受拉-壓雙向應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的受壓“軟化現(xiàn)象”，而塑性損傷模型雖然在一定程度已經(jīng)考慮了二維拉-壓軟化效應(yīng)，但與混凝土的實(shí)際行為仍然有較大差異。因此兩種模型對(duì)混凝土的在二維或三維應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的全過程受力行為無法準(zhǔn)確的模擬，需要基于已有的成熟的混凝土多維本構(gòu)理論模型以及ABAQUS提供的用戶子程序進(jìn)行二次開發(fā)。

來源出版物：工程力學(xué), 2012, 29(4): 96-103

入選年份：2015

基于性能的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)地震易損性分析

吳巧云，朱宏平，樊劍

摘要：目的：鋼筋混凝土建筑作為城市建筑的主體，估計(jì)這些建筑在地震中出現(xiàn)的各種破壞狀態(tài)的分布概率，對(duì)地震防災(zāi)規(guī)劃和地震災(zāi)害應(yīng)急具有重要的價(jià)值。本文綜合考慮地震動(dòng)峰值加速度及阻尼比為5%的譜加速度，考慮近場(chǎng)及遠(yuǎn)場(chǎng)地震的不同性質(zhì)，對(duì)一鋼筋混凝土框架房屋進(jìn)行地震易損性分析。方法：采用非線性靜態(tài)分析（Pushover）進(jìn)行性能水平的定義、采用非線性動(dòng)態(tài)分析（IDA）得到結(jié)構(gòu)的易損性曲線。首先，采用PKPM 軟件設(shè)計(jì)一符合規(guī)范要求的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)模型；基于一階模態(tài)的倒三角形側(cè)向力分布形式對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行Pushover分析，根據(jù)本文定義的極限破壞狀態(tài)確定相應(yīng)不同性能水平的量化指標(biāo)限值。其次，采用美國(guó)PEER理論對(duì)該結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行近、遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下的地震危險(xiǎn)性分析；通過地震危險(xiǎn)性分析得到性能估計(jì)中需要的兩個(gè)地震動(dòng)參數(shù)：結(jié)構(gòu)的譜加速度對(duì)應(yīng)的地震動(dòng)密度、在期望的危險(xiǎn)性水平下危險(xiǎn)性曲線的對(duì)數(shù)斜率k，即可進(jìn)行概率地震需求分析；分別選用阻尼比5%的結(jié)構(gòu)基本周期對(duì)應(yīng)的加速度譜值 Sa（T1，5%）及地面峰值加速度 PGA作為地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)（IM），選用頂點(diǎn)位移作為損傷參數(shù)（DM）進(jìn)行增量動(dòng)力分析（IDA）；采用矩估計(jì)方法，利用Matlab程序?qū)DA曲線的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理編程，得到每一im水平下lnEDP的均值作為樣本均值，記為，其方差作為樣本方差，記為，則工程需求參數(shù)（EDP）在給定地震動(dòng)強(qiáng)度IM＝im水平下超越某一值y的概率可用解析表達(dá)式求出，即為結(jié)構(gòu)的地震易損性。結(jié)果：采用“中震”和“大震”的地震動(dòng)參數(shù)來計(jì)算場(chǎng)地危險(xiǎn)性曲線參數(shù)，對(duì)于近場(chǎng)地震需考慮近場(chǎng)因子的影響：k＝2.3814、k0＝0.00011463；遠(yuǎn)場(chǎng)地震：k＝2.3814、k0＝0.00043646。則近場(chǎng)及遠(yuǎn)場(chǎng)地震的危險(xiǎn)性曲線的表達(dá)式分別為：HSa（Sa）＝P[Sa≥x]＝k0*x-k＝0.00011463*Sa-2.3814HSa（Sa）＝P[Sa≥x]＝k0*x-k＝0.00043646*Sa-2.3814基于上述地震危險(xiǎn)性分析對(duì)本文結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析，可以看出，對(duì)于本文模型選取的20條近斷層地震記錄，以Sa（T1，5%）作為IM參數(shù)時(shí)，IDA曲線收斂性較好，而以PGA作為IM參數(shù)時(shí)IDA曲線存在較大的離散性。結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移在達(dá)到0.1 m之前，所需的近場(chǎng)地震和遠(yuǎn)場(chǎng)地震的加速度譜值基本相同。當(dāng)結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移超過0.1 m之后，相同的譜加速度下，近場(chǎng)地震產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移要大于遠(yuǎn)場(chǎng)地震產(chǎn)生的頂點(diǎn)位移，當(dāng)Sa（T1，5%）為0.3 g時(shí)，無論是近場(chǎng)地震亦或是遠(yuǎn)場(chǎng)地震，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)大都集中在頂點(diǎn)位移 0.07～0.17 m之間，即極限狀態(tài) LS1至極限狀態(tài) LS2之間，結(jié)構(gòu)基本處于輕微破壞的狀態(tài)，發(fā)生嚴(yán)重破壞和倒塌的概率很低，且遠(yuǎn)場(chǎng)地震的概率密度大于近場(chǎng)地震；當(dāng)Sa（T1，5%）為0.6 g時(shí)，對(duì)于近場(chǎng)地震和遠(yuǎn)場(chǎng)地震，二者的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)主要集中在頂點(diǎn)位移0.15～0.3 m之間，即極限狀態(tài)LS2至極限狀態(tài)LS3之間，結(jié)構(gòu)發(fā)生中等破壞的概率最高，發(fā)生嚴(yán)重破壞的概率次之，發(fā)生倒塌的概率要比基本完好的概率大，且近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)地震的概率密度差異不是很明顯。從結(jié)構(gòu)的地震易損性分析可以看出，隨著結(jié)構(gòu)從基本完好發(fā)展到倒塌狀態(tài)，結(jié)構(gòu)的易損性曲線逐漸變的扁平，即超越概率變的越來越小。采用不同的IM參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)地震易損性曲線的形狀影響較大。采用PGA作為IM參數(shù)時(shí)，結(jié)構(gòu)在不同性能水平下的超越概率總體上大于采用Sa（T1，5%）作為IM參數(shù)時(shí)的超越概率。遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下結(jié)構(gòu)在不同性能水平下的超越概率總體上小于近場(chǎng)地震作用下的超越概率，且隨著結(jié)構(gòu)從基本完好直至倒塌的過程二者之間的超越概率差值減小。結(jié)論：基于結(jié)構(gòu)的地震易損性曲線，可以給出該類結(jié)構(gòu)在給定地震作用下結(jié)構(gòu)破壞概率，為地震災(zāi)害損失評(píng)估提供依據(jù)。IM參數(shù)的選擇對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能評(píng)估有很大影響，為確保IM的有效性，應(yīng)選用 IDA曲線差異較小時(shí)的分析結(jié)果進(jìn)行概率地震需求分析。遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下結(jié)構(gòu)在不同性能水平下的超越概率總體上小于近場(chǎng)地震作用下的超越概率，且隨著結(jié)構(gòu)從基本完好直至倒塌的過程二者之間的超越概率差值減小，這說明在結(jié)構(gòu)發(fā)生中等破壞之后將不易受地震波特性的影響。

來源出版物：工程力學(xué), 2012, 29(9): 117-124

入選年份：2015

ABAQUS中混凝土本構(gòu)模型用于模擬結(jié)構(gòu)靜力行為的比較研究

聶建國(guó)，王宇航

摘要：目的：在運(yùn)用有限元程序?qū)︿摻罨炷两Y(jié)構(gòu)及鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行彈塑性分析時(shí)，材料本構(gòu)關(guān)系是決定結(jié)構(gòu)體系的有限元模擬結(jié)果能否反映結(jié)構(gòu)體系真實(shí)抗震反應(yīng)的關(guān)鍵所在。鋼材為各向同性的金屬材料，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了各種成熟的本構(gòu)關(guān)系，能夠考慮鋼材的彈性、彈塑性、強(qiáng)化、斷裂以及包興格效應(yīng)等，并且得到了充分的試驗(yàn)驗(yàn)證，因此目前鋼材的本構(gòu)模型已經(jīng)較為成熟。而混凝土材料本質(zhì)上是一種混合材料，在拉、壓方向上具有不同的力學(xué)性能，并且存在強(qiáng)化、軟化、開裂以及損傷等復(fù)雜受力行為，精確的本構(gòu)模型不易建立。因此需要調(diào)查研究通用有限元程序中的混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系，保證結(jié)構(gòu)體系彈塑性分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。方法：詳細(xì)介紹ABAQUS所提供的混凝土彌散開裂模型和塑性損傷模型兩種材料本構(gòu)模型的基礎(chǔ)理論，然后結(jié)合已有的結(jié)構(gòu)構(gòu)件試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析，重點(diǎn)關(guān)注于混凝土本構(gòu)模型中的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件及組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件滯回特性的影響，并指出分析實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)不同的混凝土材料模型的適用范圍。結(jié)果：對(duì)于單調(diào)荷載作用下的受彎構(gòu)件，采用彌散開裂模型和塑性損傷模型均能對(duì)混凝土構(gòu)件或組合構(gòu)件的宏觀反應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬，且兩者的計(jì)算結(jié)果比較接近。彌散開裂模型對(duì)于混凝土裂面行為的模擬較為準(zhǔn)確，適用于分析混凝土開裂后應(yīng)力-應(yīng)變空間不斷變化的受力情況，但混凝土的剪力傳遞系數(shù)需要進(jìn)行仔細(xì)的調(diào)整，才能得到較為滿意的結(jié)果。彌散開裂模型的滯回規(guī)則與混凝土材料的實(shí)際受力行為相差較大且不能進(jìn)行調(diào)整，而塑性損傷模型的滯回規(guī)則較為符合實(shí)際。因此在相關(guān)參數(shù)設(shè)置合理的前提下，塑性損傷模型可用于混凝土結(jié)構(gòu)或組合結(jié)構(gòu)在往復(fù)荷載作用下的受力行為模擬，而彌散開裂模型只適用于結(jié)構(gòu)在單調(diào)荷載作用下的力學(xué)行為分析。結(jié)論：彌散開裂模型未考慮混凝土在承受拉-壓雙向應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的受壓“軟化現(xiàn)象”，而塑性損傷模型雖然在一定程度已經(jīng)考慮了二維拉-壓軟化效應(yīng)，但與混凝土的實(shí)際行為仍然有較大差異。因此兩種模型對(duì)混凝土的在二維或三維應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的全過程受力行為無法準(zhǔn)確的模擬，需要基于已有的成熟的混凝土多維本構(gòu)理論模型以及ABAQUS提供的用戶子程序進(jìn)行二次開發(fā)。

來源出版物：工程力學(xué), 2013, 30(4): 59-67，82

入選年份：2015

高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展綜述

施剛，班慧勇，石永久，等

摘要：目的：高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材是指采用微合金化和熱機(jī)械軋制技術(shù)生產(chǎn)出的具有高強(qiáng)度（強(qiáng)度等級(jí)≥460 MPa）、良好延性、韌性以及加工性能的結(jié)構(gòu)鋼材。國(guó)內(nèi)外多個(gè)鋼結(jié)構(gòu)工程已經(jīng)成功應(yīng)用了高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材，并且取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。相比普通強(qiáng)度鋼材，高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的受力性能發(fā)生了變化，但目前我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范并沒有相應(yīng)的設(shè)計(jì)條文和設(shè)計(jì)方法。為深入理解高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)在材料、構(gòu)件、連接等層面的受力特征，完善現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)理論，并進(jìn)一步促進(jìn)高強(qiáng)度鋼材在我國(guó)的工程應(yīng)用，本文全面綜述了國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究進(jìn)展和成果。方法：目前針對(duì)高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的研究主要以試驗(yàn)研究為主，具體研究對(duì)象集中在高強(qiáng)度鋼材材料的基本力學(xué)性能、構(gòu)件的截面殘余應(yīng)力分布、受壓構(gòu)件、受彎構(gòu)件以及連接節(jié)點(diǎn)的受力性能。材料力學(xué)性能試驗(yàn)研究包括常溫下的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)、低溫下的拉伸試驗(yàn)和斷裂韌性試驗(yàn)以及夏比沖擊試驗(yàn)、高周疲勞試驗(yàn)和低周往復(fù)荷載試驗(yàn)；構(gòu)件截面的殘余應(yīng)力試驗(yàn)主要采用分割法，研究對(duì)象以焊接截面為主，包括焊接工字形、箱形以及十字形截面，也有少量研究涵蓋熱軋截面；受壓構(gòu)件的試驗(yàn)研究包括整體穩(wěn)定性能試驗(yàn)、局部穩(wěn)定性能試驗(yàn)以及壓彎構(gòu)件的滯回性能試驗(yàn)；受彎構(gòu)件試驗(yàn)研究包括簡(jiǎn)支梁四點(diǎn)彎靜力試驗(yàn)和懸臂梁的滯回試驗(yàn)；連接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究包括焊縫連接、螺栓連接以及梁柱連接節(jié)點(diǎn)的靜力試驗(yàn)。結(jié)果：試驗(yàn)結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)Q460高強(qiáng)度鋼材的屈強(qiáng)比一般在0.78左右，斷后伸長(zhǎng)率通常在 25%左右甚至更高；690 MPa以上高強(qiáng)鋼的屈強(qiáng)比一般在0.90～0.95范圍內(nèi)，斷后伸長(zhǎng)率有所降低。試驗(yàn)所研究的國(guó)產(chǎn)Q460C高強(qiáng)度鋼材的沖擊韌性遠(yuǎn)高于普通強(qiáng)度鋼材的一般指標(biāo)。同時(shí)，基于試驗(yàn)結(jié)果，擬合了高強(qiáng)鋼的 S-N疲勞曲線以及循環(huán)本構(gòu)模型參數(shù)。高強(qiáng)鋼焊接殘余應(yīng)力分布與普通強(qiáng)度鋼材無明顯區(qū)別，焊縫處最大殘余拉應(yīng)力通常小于鋼材屈服強(qiáng)度，殘余壓應(yīng)力與截面尺寸相關(guān)?，F(xiàn)有規(guī)范針對(duì)受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定承載力計(jì)算和板件寬厚比限值對(duì)于高強(qiáng)鋼均較保守，基于相關(guān)的試驗(yàn)研究，針對(duì)受壓構(gòu)件和受彎構(gòu)件提出了建議的計(jì)算公式。提出了高強(qiáng)鋼焊縫連接節(jié)點(diǎn)的 S-N曲線和循環(huán)本構(gòu)模型，并給出了螺栓連接承壓強(qiáng)度計(jì)算公式以及抗滑移摩擦系數(shù)取值。結(jié)論：高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)在受力性能方面普遍具有更顯著的優(yōu)勢(shì)：（1）國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)度鋼材特別是Q460鋼材的各項(xiàng)力學(xué)性能滿足我國(guó)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，具有良好的塑性、韌性以及耗能能力；但規(guī)范的限值規(guī)定限制了更高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材的應(yīng)用；（2）高強(qiáng)度鋼材截面的殘余應(yīng)力數(shù)值與鋼材強(qiáng)度比值明顯降低，有利于受壓構(gòu)件穩(wěn)定性能的提高；（3）高強(qiáng)度鋼材受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定性能明顯提高，應(yīng)提高相應(yīng)的設(shè)計(jì)柱子曲線類型；現(xiàn)有規(guī)范的短柱局部穩(wěn)定設(shè)計(jì)公式不再適用于高強(qiáng)度鋼材；高強(qiáng)鋼柱的抗震滯回性能良好；受彎構(gòu)件研究很少；（4）高強(qiáng)度鋼材焊接連接節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)力學(xué)性能包括延性、韌性以及疲勞性能優(yōu)良，滿足規(guī)范要求；（5）高強(qiáng)度鋼板螺栓連接的孔壁承壓性能提高，抗滑移系數(shù)小于我國(guó)規(guī)范的規(guī)定。因此，高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)受力性能具有新的特點(diǎn)，現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的很多條文不再適用于高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)，不利于其優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮，因此亟需對(duì)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行相應(yīng)的完善和修訂。

來源出版物：工程力學(xué), 2013, 30(1): 42748

入選年份：2015

鋼管再生混凝土長(zhǎng)柱偏壓性能研究

張向?qū)?，陳宗平，王講美，等

摘要：目的：隨著土木工程領(lǐng)域的快速發(fā)展，為了滿足現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向“建筑高度更高、結(jié)構(gòu)跨度更大、承載荷載更重、并且更加節(jié)能環(huán)?！钡陌l(fā)展需求，研究性能更加優(yōu)越的現(xiàn)代型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)亟為必需，研究力學(xué)性能好和節(jié)能環(huán)保的鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為了時(shí)代發(fā)展的必然。為了揭示鋼管再生混凝土長(zhǎng)柱在偏心受壓情況下的受力破壞機(jī)理及其影響因素，提出其合理設(shè)計(jì)方法，供科學(xué)研究和工程應(yīng)用參考，本文對(duì)此進(jìn)行了深入研究。方法：以再生粗骨料取代率、長(zhǎng)細(xì)比為主要變化參數(shù)，設(shè)計(jì)和制作了10個(gè)圓鋼管再生混凝土長(zhǎng)柱試件和10個(gè)方鋼管再生混凝土長(zhǎng)柱試件，對(duì)他們進(jìn)行不同偏心距作用下的靜力單調(diào)加載試驗(yàn)。觀察其受力破壞全過程及破壞形態(tài)，測(cè)試其截面不同位置的應(yīng)力應(yīng)變分布情況、不同柱高位置的應(yīng)力應(yīng)變分布，以及不同柱高的平面外撓度變化情況等，獲取其軸向荷載-軸向變形全過程曲線，軸向荷載-跨中側(cè)向撓度曲線，荷載-軸向應(yīng)變曲線，以及荷載-環(huán)向應(yīng)變曲線。得到了各試件的初始彈性剛度、峰值荷載、峰值撓度、位移延性、破壞全過程能量耗散能力等特征點(diǎn)參數(shù)。并詳細(xì)分析了不同再生骨料取代率（γ＝0%，50%，100%）下各種方鋼管和圓鋼管再生混凝土長(zhǎng)柱的力學(xué)性能指標(biāo)；分析了各種長(zhǎng)細(xì)比（λ＝31.3、38.3和 52.2）方鋼管和圓鋼管再生混凝土柱的受力破壞形態(tài)及其力學(xué)性能，分析了不同偏心距（e＝0 mm、15 mm、30 mm）下方鋼管和圓鋼管再生混凝土柱的力學(xué)性能指標(biāo)變化規(guī)律?；谠囼?yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和影響因素分析結(jié)果，分別采用中國(guó)、美國(guó)、英國(guó)和日本等多個(gè)國(guó)家的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范方法[中國(guó)CECS28：99，DBJ 13-51—2003，DL/T 5085—1999；CECS159：2004，GJB4 142—2000，美國(guó)AISC-LRFD（1999），英國(guó)BS5400 （2005）和日本AIJ1997等]對(duì)方鋼管和圓鋼管再生混凝土長(zhǎng)柱的偏心受壓極限承載力進(jìn)行了計(jì)算和對(duì)比分析，并提出其使用設(shè)計(jì)方法。結(jié)果：圓鋼管再生混凝土和方鋼管再生混凝土偏壓長(zhǎng)柱的受力破壞過程和形態(tài)相似，均經(jīng)歷了彈性階段、屈服階段和破壞階段，破壞形態(tài)均表現(xiàn)為彈塑性失穩(wěn)破壞。再生混凝土取代率的變化對(duì)圓鋼管和方鋼管再生混凝土偏壓長(zhǎng)柱的極限承載力影響不大，再生混凝土部分或全部取代普通混凝土，用于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)之中是可行的。隨著偏心距和長(zhǎng)細(xì)比的增大，圓鋼管和方鋼管再生混凝土柱的極限承載力顯著降低，工程設(shè)計(jì)時(shí)需要嚴(yán)格控制。通過理論分析發(fā)現(xiàn)采用DL/T5085—1999和 DBJ13-51—2003規(guī)范方法進(jìn)行圓鋼管再生混凝土長(zhǎng)柱的設(shè)計(jì)比較合理，而方鋼管再生混凝土長(zhǎng)柱則是采用CECS 159：2004、D BJ13-51—2003規(guī)范方法更好。結(jié)論：圓鋼管和方鋼管再生混凝土長(zhǎng)柱的承載能力和變形性能與普通的鋼管混凝土長(zhǎng)柱相似，依舊具有良好的力學(xué)性能；再生粗骨料取代率的變化對(duì)其力學(xué)性能影響不大；鋼管再生混凝土柱可以應(yīng)用于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中，從節(jié)能環(huán)保的角度，建議優(yōu)先采用全再生混凝土的鋼管再生混凝土柱。

來源出版物：工程力學(xué), 2013, 30(3): 331-340

入選年份：2015

二維自由振動(dòng)的有限元線法自適應(yīng)分析新進(jìn)展

袁駟，王永亮，徐俊杰

摘要：目的：在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域中廣泛存在的自由振動(dòng)問題，都論：本文成功將基于EEP法的FEMOL自適應(yīng)求解技術(shù)由二維線性問題推廣至自由振動(dòng)問題，形成了一套高效、穩(wěn)定、通用、可靠的自適應(yīng)求解算法，該算法對(duì)具有重頻、復(fù)雜求解區(qū)域甚至具有奇異性的求解區(qū)域上的自由振動(dòng)問題均可求解得到數(shù)值精確解。以本文自適應(yīng)求解策略為基礎(chǔ)，只要成功建立各類線性問題的 EEP超收斂算法，本法便可以進(jìn)一步求解彈性力學(xué)平面問題、中厚扁殼、空間軸對(duì)稱問題的自由振動(dòng)等特征值問題。

來源出版物：工程力學(xué), 2015, 31(1): 15-22

入選年份：2015

混凝土材料與結(jié)構(gòu)破壞過程模擬分析

顧祥林，付武榮，汪小林，等

摘要：目的：基于離散單元法分別在細(xì)觀和宏觀尺度上建立力學(xué)模型對(duì)混凝土材料、混凝土構(gòu)件及結(jié)構(gòu)破壞過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分析。方法：在細(xì)觀尺度上將混凝土材料視為粗骨料、水泥砂漿及界面層的組合體，建立了基于離散元法的混凝土材料二維細(xì)觀力學(xué)模型。其中骨料形狀為圓形或多邊形，砂漿單元為Voronoi任意多邊形。單元之間由彈簧組（法向彈簧和切向彈簧）連結(jié)。在材料沒有發(fā)生破壞時(shí)，單元的變形由剛性單元之間的連接彈簧考慮。當(dāng)細(xì)觀單元之間連接彈簧破壞后，單元之間由連接關(guān)系轉(zhuǎn)化為接觸關(guān)系。在宏觀尺度上將混凝土視為均質(zhì)材料，建立了混凝土結(jié)構(gòu)離散單元模型。該尺度模型中單元形狀為立方體，且單元之間由虛擬的混凝土彈簧和鋼筋彈簧連結(jié)。當(dāng)相鄰單元連接間的彈簧完全斷裂后，考慮單元間的碰撞作用，并采用沖量計(jì)算模型描述該碰撞作用。結(jié)果：在材料層次，首先采用細(xì)觀模型模擬了混凝土單軸受壓和砂漿單軸受拉破壞過程。得到的混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線及破壞形態(tài)，砂漿受拉破壞形態(tài)均與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好；砂漿抗拉強(qiáng)度誤差范圍在4.3%～7.2%。進(jìn)而分析了混凝土雙軸受力破壞過程。其中試件在雙向拉壓荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與單軸受壓曲線類似，但峰值應(yīng)變隨應(yīng)力比絕對(duì)值的增大而迅速減小，且兩個(gè)受力方向的應(yīng)變值和曲線曲率都較小。這可歸因于混凝土在拉壓狀態(tài)下的破壞大多屬于拉斷破壞，塑性變形很小。由雙向應(yīng)力下混凝土強(qiáng)度的計(jì)算模擬結(jié)果可以看出，數(shù)值模擬得到的混凝土雙向拉拉和雙向拉壓時(shí)的強(qiáng)度值基本上都在Kupfer提出的包絡(luò)線附近。但雙向壓壓時(shí)的計(jì)算模擬結(jié)果過高地估計(jì)了混凝土的強(qiáng)度。在構(gòu)件層次，采用宏觀模型對(duì)鋼筋混凝土剪力墻的面外和面內(nèi)受力性能進(jìn)行了模擬分析。分別采用了規(guī)則單元和非規(guī)則單元兩種劃分方式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示兩種網(wǎng)格劃分方式均能較好模擬剪力墻的面外受可以歸結(jié)為常微分方程（ODE）或偏微分方程（PDE）特征值問題，對(duì)此類問題進(jìn)行高效、可靠、精確的數(shù)值求解對(duì)力學(xué)研究和工程計(jì)算均具有重要的意義。自由振動(dòng)問題往往具有挑戰(zhàn)性，比如：存在重頻、連續(xù)求解出若干階頻率及振型而不丟根漏根、非規(guī)則求解區(qū)域、具有奇異性、要求頻率振型滿足一定的精度，等等，這些都對(duì)自由振動(dòng)問題的求解提出了更高更嚴(yán)的要求。有限元線法（FEMOL）是一種基于ODE求解的半解析、半離散方法。對(duì)于二維線性問題，本文第一作者及其課題組提出了一套 FEMOL后處理超收斂計(jì)算的單元能量投影（EEP）法；基于EEP超收斂解的優(yōu)良特性，以其代替真解來估計(jì)FEMOL解的誤差，形成了一套新型的自適應(yīng)求解策略；該算法可生成一套優(yōu)化的FEMOL網(wǎng)格，該網(wǎng)格上FEMOL解的誤差按最大模嚴(yán)格滿足事先給定誤差限，使FEMOL由半解析方法變?yōu)橥耆馕觥?shù)值精確的方法。本文意在提出一種基于EEP法的二維自由振動(dòng)問題FEMOL自適應(yīng)求解方法，將業(yè)已成熟的線性問題自適應(yīng)求解方法直接引入自由振動(dòng)問題的求解，而無需單獨(dú)建立自由振動(dòng)問題的超收斂計(jì)算公式和自適應(yīng)算法，從而構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一、通用的特征值問題自適應(yīng)求解算法。方法：本文研究的關(guān)鍵思路是在給定的FEMOL網(wǎng)格下，將自由振動(dòng)問題等價(jià)為與之同解的線性問題，遂可合理引入二維FEMOL線性問題自適應(yīng)技術(shù)和求解策略，最終實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)求解技術(shù)由二維線性問題到自由振動(dòng)問題的轉(zhuǎn)化和推廣；按照這一思路，文中成功建立了基于EEP法的二維自由振動(dòng)問題自適應(yīng)求解策略，歸結(jié)為三步：（1）FEMOL解：在當(dāng)前網(wǎng)格上（初始網(wǎng)格由用戶提供），采用自行研發(fā)的新型自適應(yīng)ODE特征值問題求解器（ODE Eigen-Solver）對(duì)自由振動(dòng)問題進(jìn)行常規(guī)FEMOL計(jì)算，得到常規(guī)FEMOL解，將該解回代到二維問題控制PDE的右端項(xiàng)中即可得到該網(wǎng)格下與原自由振動(dòng)問題同解的線性問題；（2）超收斂解：對(duì)于得到的同解線性問題，計(jì)算當(dāng)前網(wǎng)格上振型的 EEP超收斂解，同時(shí)按最大模計(jì)算全域上振型的誤差；（3）網(wǎng)格細(xì)分：對(duì)誤差按最大模不滿足誤差限的單元，用均差法對(duì)其細(xì)分，得到新網(wǎng)格，返回步驟1；如果所有單元均滿足誤差限，網(wǎng)格無需再細(xì)分，求解過程結(jié)束。結(jié)果：利用上述自適應(yīng)求解策略，文中成功求解了方形固支薄膜、L-形固支薄膜、簡(jiǎn)支方板以及梯形懸臂板等典型的二維自由振動(dòng)問題，不僅有效地克服了重頻、奇異性等難題，而且對(duì)于任意階頻率和振型，均可求解得到滿足精度要求的自振頻率和按最大模度量滿足用戶事先給定誤差限的振型；且求解中采用最少的單元數(shù)和最少的迭代步，即可得到一致收斂的解答；最終的解答中各個(gè)單元的最大誤差大致相等、自動(dòng)生成適應(yīng)解答變化的非均勻網(wǎng)格，展現(xiàn)了算法的高效性。結(jié)彎性能，但規(guī)則單元?jiǎng)澐址绞诫y以描述剪力墻的受剪行為，利用 Voronoi任意多邊形網(wǎng)格劃分方式模擬效果較好。在結(jié)構(gòu)層次，采用宏觀模型模擬了局部爆炸荷載作用下鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的倒塌過程以及地震作用下高層鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的倒塌過程。數(shù)值計(jì)算結(jié)果和爆炸模擬試驗(yàn)及振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。結(jié)論：模擬計(jì)算結(jié)果表明，細(xì)觀尺度上的二維離散單元模型可以用來很好地模擬混凝土的單軸受力破壞過程；在模擬雙軸受力狀態(tài)下混凝土的破壞時(shí)，拉壓或拉拉情況下發(fā)生的是面內(nèi)受拉破壞，因此模擬結(jié)果較好，而雙軸受壓時(shí)混凝土既可能發(fā)生面內(nèi)劈裂破壞也可能發(fā)生面外劈裂破壞，由于二維模型只能模擬一個(gè)劈裂面的破壞，無法考慮面外破壞，所得模擬結(jié)果偏高，難以正確描述混凝土的雙向受壓性能。宏觀尺度上的離散單元模型可以很好地模擬鋼筋混凝土構(gòu)件的破壞過程，但模擬結(jié)果對(duì)單元的形狀有較大的依賴性；宏觀模型也能夠很好地模擬局部爆炸或地震作用下混凝土結(jié)構(gòu)的倒塌過程，但計(jì)算效率有待于提高。

來源出版物：工程力學(xué), 2015, 32(11): 42995

入選年份：2015

基于微觀機(jī)制的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)延性斷裂預(yù)測(cè)與裂后路徑分析

王偉，廖芳芳，陳以一

摘要：目的：基于材料塑性損傷機(jī)制的微觀力學(xué)模型能描述應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)對(duì)材料內(nèi)在微觀結(jié)構(gòu)特性的影響，從而能夠作為具有明確物理意義的判據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)延性裂紋開展較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。本文利用微觀力學(xué)模型應(yīng)力修正臨界應(yīng)變模型（SMCS）和空穴擴(kuò)張模型（VGM）對(duì)方鋼管柱-H形梁翼緣直接焊接節(jié)點(diǎn)在單調(diào)荷載作用下的斷裂行為進(jìn)行了預(yù)測(cè)，探索微觀斷裂判據(jù)在非連續(xù)變形模擬方面的應(yīng)用。方法：對(duì)10個(gè)鋼管柱-梁翼緣直接焊接節(jié)點(diǎn)試件在單調(diào)荷載作用下的試驗(yàn)進(jìn)行高精度有限元分析，采用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元建模時(shí)考慮了翼板與鋼管壁之間焊縫的形狀及尺寸對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響。為提高精度，選取二次縮減積分實(shí)體單元C3D20R。對(duì)鋼管彎角部位和平板部位根據(jù)材性試驗(yàn)結(jié)果采用不同的多線性材料模型，焊縫選用試驗(yàn)所得 E5015焊縫的材料模型，各材料模型均將真實(shí)應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線延伸至斷裂點(diǎn)。有限元模型單元尺寸在節(jié)點(diǎn)區(qū)附近加密。分別利用SMCS和VGM判據(jù)預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)的開裂位置和時(shí)刻并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。在ABAQUS軟件平臺(tái)上開發(fā)了基于顯式動(dòng)力分析的VUMAT用戶子程序，分別引入SMCS和VGM微觀斷裂判據(jù)，采用與顯式動(dòng)力分析相匹配并具有足夠計(jì)算精度的 C3D8I單元，用戶子程序VUMAT用來定義材料的力學(xué)本構(gòu)關(guān)系，可以被用戶子程序定義材料計(jì)算點(diǎn)調(diào)用，可以使用和更新結(jié)果依賴狀態(tài)變量，可以使用傳入的任何場(chǎng)變量。在計(jì)算過程中滿足 SMCS 和VGM微觀斷裂判據(jù)的材料點(diǎn)逐漸從模型中刪除。對(duì)2個(gè)在不同位置發(fā)生斷裂的鋼管柱-H形梁翼緣直接焊接節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行全過程路徑跟蹤分析。結(jié)果：以SMCS和VGM模型為斷裂判據(jù)預(yù)測(cè)得到的10個(gè)鋼管柱-H形梁翼緣直接焊接節(jié)點(diǎn)試件的斷裂位置與試驗(yàn)斷裂位置均一致，除個(gè)別試件外，其余試件預(yù)測(cè)斷裂荷載和位移與試驗(yàn)結(jié)果比較接近，SMCS判據(jù)預(yù)測(cè)斷裂荷載與試驗(yàn)結(jié)果相差－12%～8%，預(yù)測(cè)斷裂位移與試驗(yàn)結(jié)果相差－22%～0，VGM判據(jù)預(yù)測(cè)斷裂荷載與試驗(yàn)結(jié)果相差－3%～11%，預(yù)測(cè)斷裂位移與試驗(yàn)結(jié)果相差－7%～33%。鋼管柱-梁翼緣直接焊接節(jié)點(diǎn)試件分別以SMCS和VGM模型為斷裂判據(jù)，用自編的VUMAT子程序可以得到開裂后的荷載位移曲線下降段，由子程序得到的開裂時(shí)刻和開裂位置與試驗(yàn)結(jié)果一致，但是以SMCS模型為斷裂判據(jù)，開裂后裂縫很快沿翼板寬度方向擴(kuò)展，形成貫通翼板寬度方向的裂縫；以VGM 模型為斷裂判據(jù)，可以模擬出試件在開裂后的荷載位移曲線平直段和下降段，但試件最終的變形小于試驗(yàn)最終的端部位移，這可能是由于焊縫形狀不規(guī)則造成劃分的單元稍有扭曲，用C3D8I單元計(jì)算的單元應(yīng)力會(huì)稍有誤差，且焊縫沒有做實(shí)際材性試驗(yàn)，采用的焊縫材性會(huì)與實(shí)際有所差別。但總體來說，以VGM模型為斷裂判據(jù)模擬的裂后路徑與試驗(yàn)結(jié)果相比有較好的吻合。結(jié)論：（1）相對(duì)于傳統(tǒng)斷裂力學(xué)方法，采用基于材料塑性損傷機(jī)制的微觀斷裂判據(jù)SMCS和VGM，并經(jīng)過鋼材斷裂性能試驗(yàn)校準(zhǔn)后，在預(yù)測(cè)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)延性斷裂時(shí)具有較好的適用性。（2）基于微觀斷裂判據(jù)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)延性斷裂預(yù)測(cè)時(shí)，需采用網(wǎng)格尺寸與材料特征長(zhǎng)度接近的高精度有限元建模方法。但當(dāng)某一方向應(yīng)力應(yīng)變梯度變化不大時(shí)，也可對(duì)該方向單元采用相對(duì)粗略的劃分。（3）基于 ABAQUS平臺(tái)的VUMAT子程序技術(shù)，并引入SMCS和VGM判據(jù)后，可以在一定程度上獲得鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)延性裂紋的開展過程及其后續(xù)非連續(xù)變形路徑。該微觀斷裂判據(jù)及其模擬技術(shù)對(duì)于今后進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)在極端荷載作用下的倒塌分析具有參考價(jià)值。

來源出版物：工程力學(xué), 2014, 31(3): 101-108，115

入選年份：2016

編輯：張寧寧