结构连续倒塌分析研究现状及设计方法综述

建筑结构抗连续性倒塌研究进展与发展趋势共3篇建筑结构抗连续性倒塌研究进展与发展趋势11. 研究进展在建筑结构抗连续性倒塌研究方面，国内外学者已经开展了大量的研究。

这些研究主要包括以下方面：1.1 倒塌事故原因分析通过对一系列建筑结构倒塌事故进行调查和分析，学者们得出了很多有关倒塌事故发生的原因和机理。

这些原因包括建筑材料的缺陷、建筑结构设计的不合理以及施工过程中的差错等。

另外，一些自然灾害如地震、风暴等也会引起建筑结构的倒塌。

1.2 抗倒塌性能设计方法研究为了提高建筑结构的抗倒塌能力，学者们提出了一系列抗倒塌性能设计方法。

这些方法包括提高建筑结构的整体强度、加强建筑结构的抗震能力、采用更为先进的建筑材料等。

1.3 倒塌模拟技术研究为了更好地理解建筑结构倒塌的原因和机理，学者们还开展了大量的倒塌模拟技术研究。

这些模拟技术主要包括有限元模拟、离散元模拟、计算流体力学模拟等。

1.4 抗倒塌性能测试技术研究为了验证建筑结构的抗倒塌性能，学者们开发了大量的测试技术。

这些测试技术主要包括抗震性能测试、连续倒塌试验等。

2. 发展趋势建筑结构抗连续性倒塌的研究是一个永恒的课题，未来其发展趋势主要包括以下几个方面：2.1 向精细化建模方向发展随着计算机技术和仿真技术的发展，建筑结构倒塌模拟技术将向更精细化、更真实化的方向发展。

相信未来，学者们将通过建立更加精细化的模型，更好地分析建筑结构倒塌的原因和机理。

2.2 向智能化设计方向发展随着人工智能和大数据技术的发展，建筑结构抗倒塌性能设计将向智能化设计方向发展。

未来，学者们将通过大数据分析和人工智能算法，实现建筑结构最优化设计，提高其抗倒塌能力。

2.3 向可视化仿真方向发展建筑结构倒塌模拟技术将向更为直观、更为可视化的方向发展。

未来，学者们将通过虚拟现实技术和增强现实技术，实现建筑结构的三维可视化仿真，更好地理解建筑结构的倒塌机理和原因。

2.4 向智能化测试方向发展建筑结构抗倒塌性能测试将向智能化测试方向发展。

建筑结构连续性倒塌及其控制设计的研究摘要:伴随着城市化进程不断加深、加快，促进和带动建筑行业呈现出高速的发展态势，在新时期的大背景之下，人们对于建筑物的安全性、舒适性等各方面都非常的关注，并提出更高的要求。

因此，本篇文章通过站在控制偶然事件的发生以及防止框架结构发生连续性倒塌设计法的角度进行认真分析，提出了防止框架结构发生连续倒塌的方法与措施，希望能够在有效提高框架结构抗连续倒塌能力等方面起到一些参考与帮助。

关键词:建筑结构；连续性倒塌；控制；设计；连续性倒塌主要内容包括：结构在正常使用的过程当中，因为突发事件所造成的局部破坏，并且沿着构件不断的传递，最终对建筑物整体产生极大的影响，增加倒塌的可能与概率，对相关人员产生巨大影响与伤害。

连续性倒塌一旦出现，引发的后果不堪设想，所以相关工作人员需对此项问题加大分析和研究的力度，重视建筑物抗连续性倒塌工作。

基于此，本文下面主要对建筑结构连续性倒塌及其控制设计展开深入探讨。

1、降低恐怖事件发生的可能与概率想要真正实现降低和减小恐怖袭击概率发生的可能与概率，还需要全社会做出努力，例如：汽车炸弹袭击，可以通过加大保安巡逻的力度，加强安全等各种有效方法来进行避免；针对于机动车对于建筑物的撞击，可以通过控制机动车的进出来防止此类事件的发生。

2、间接设计方法间接设计方法主要是应用建筑和结构措施来有效提高建筑体系的延续性以及稳定性，帮助结构即使处在偶然事件当中，也可以真正的实现安全与稳定。

(1)避免结构连续倒塌的建筑方法因为应用相关的防护方法，仍旧不能够有效防止和避免突发事件的发生与出现，这时工作人员可以通过在建筑上面的科学安排与规划，降低和减少结构发生连续倒塌的可能，其一：对不安全区域进行隔离。

经过认真的分析和了解之后发现，存储易燃、易爆危险品的仓库以及停车场是非常容易发生事件的区域，所以在进行建筑规划与设计的过程当中，需要让重点结构远离这些危险区域；其二，设置出隔离带。

混凝土框架结构的抗连续性倒塌设计方法混凝土框架结构的抗连续性倒塌设计方法摘要：混凝土框架结构的连续性倒塌设计是建筑设计中非常重要的部分，很多建筑出现坍塌事故都是混凝土框架构件出现问题造成的，本文从混凝土框架结构的连续性倒塌设计现状以及构件与易损构件进行分析，同时说明设计方法。

关键词：混凝土框架结构；连续性倒塌设计；具体方法引言汶川地震中，砌体结构的大量倒塌使得其成为谴责的焦点，但根据对都江堰市在汶川地震中学校建筑结构震害的统计，框架结构和砌体结构的损失程度没有明显差别，可见框架结构抗震性能存在的问题同样不可忽视。

抗倒塌设计对于保护人民的生命安全有重要意义，抗倒塌设计已经纳入了新版《混凝土结构设计规范》。

一、混凝土框架结构的抗连续性倒塌设计现状（一）根据荷载与作用随时间的变异性，我国建筑结构设计标准将荷载与作用分为：永久荷载与作用、可变荷载与作用、偶然荷载与作用。

其中，永久荷载与作用和可变荷载与作用的量值、作用位置和作用特性都是可以估计的，且估计值具有一定保证率，据此按现行结构设计方法，通常可以保证所设计的结构具有足够的安全度，也即失效概率足够小。

然而，偶然荷载与作用属于极小概率事件，其量值、作用位置和作用特性都无法估计，并且具有量值很大、作用时间很短的特点，这就给结构设计带来很大的困难。

鉴于偶然荷载与作用的不可估计性和其作用特征的复杂性，以及结构设计经济性的考虑，通常一般结构设计时对偶然荷载与作用都不进行计算设计。

但一旦出现偶然荷载与作用，则往往因其量值过大而导致直接遭受偶然荷载与作用部位的结构构件破坏。

因此，针对偶然荷载与作用，结构应能满足以下要求：容许结构局部发生严重破坏和失效，未破坏的剩余结构能有效承受因局部破坏后发生的荷载和内力重分布，不至于短时间内造成结构的破坏范围迅速扩散而导致大范围、甚至整个结构的坍塌。

（二）结构的连续倒塌是指由于偶然意外荷载和作用造成结构的局部破坏，并导致结构产生非稳定的连续性破坏发展。

收稿日期:20171129基金项目:国家自然科学基金资助项目(51778113);国家重点研发计划资助项目(2016Y F C 0701108);中央高校基本科研业务费资助项目(D U T 17L K 29).作者简介:曲激婷(1978),女,山东牟平人,大连理工大学副教授,博士.第30卷第2期2018年4月沈阳大学学报(自然科学版)J o u r n a l o f S h e n y a n g U n i v e r s i t y (N a t u r a l S c i e n c e )V o l .30,N o .2A pr .2018文章编号:2095-5456(2018)02-0142-09建筑结构连续倒塌破坏分析的数值模拟研究方法综述曲激婷,宋全宝(大连理工大学建设工程学部工程力学研究所,辽宁大连 116024)摘 要:针对建筑结构在连续倒塌过程中产生的大变形㊁大转动㊁接触碰撞等不连续力学行为特征,对目前建筑结构连续倒塌数值模拟方法的研究现状及理论成果进行了综述,包括隐式有限元㊁显式有限元㊁离散元㊁有限元与离散元耦合㊁质点元㊁非连续变形分析及有限质点法等.阐述了各数值方法的基本力学原理㊁发展历程和在实际应用中的优势及适用条件,分析了建筑结构在连续倒塌过程中遇到的力学计算难点,为拓展准确高效的数值模拟方法提供思路.关 键 词:连续倒塌;数值模拟;有限单元法;有限质点法中图分类号:T U 312 文献标志码:A建筑物发生倒塌破坏往往造成大量人员伤亡和财产损失,因而对结构进行抗倒塌分析及抗倒塌设计成为当前科研工作者的一大研究热点.结构连续倒塌一般指建筑物在遭受爆炸㊁强震㊁冲击等动力载荷时,结构的局部构件破坏向周围其他构件扩散,最终使得结构形成与初始局部破坏不成比例的大范围倒塌的现象[12].针对建筑物倒塌所带来的巨大损失,一些欧美国家出台了关于结构抗连续倒塌计算的相关规范,如由美国公共事务管理局编制的结构抗连续倒塌规范G S A 2003[3],详细阐述了结构连续倒塌的概念㊁分析流程㊁设计方法及设计过程,以保证结构抗连续倒塌的能力.然而,目前我国关于结构抗连续倒塌的规范还不太完善,‘高层建筑混凝土结构技术规程(J G J 3-2010)“[4]中指出安全等级为1级的高层建筑结构应满足抗连续倒塌概念设计,有特殊要求时采用拆除构件法进行抗连续倒塌设计.因此,继续深入研究结构连续性倒塌破坏机理,以进行抗连续倒塌设计,对提高结构的抗连续倒塌能力及指导我国关于抗连续倒塌规范的制定具有重要意义.当前对于结构倒塌破坏的研究方法主要有理论分析㊁实验研究和数值模拟3类.由于结构在倒塌过程中涉及连续介质力学与非连续介质力学,并伴随材料㊁几何㊁接触等复杂强非线性行为,理论分析存在一定的困难;结构倒塌的实验研究多以框架为主,且存在高危险㊁花费大㊁比对实验困难等问题.因此,基于理论分析的数值模拟成为研究人员进行结构倒塌破坏分析的主要手段.鉴于建筑结构抗连续倒塌能力对建筑结构安全的重要性,有必要深入研究非线性计算工具和数值模拟方法,对研究建筑结构连续性倒塌机理,实现建筑结构倒塌破坏全过程的仿真模拟,提高建筑结构抗连续倒塌能力具有重要意义.1 数值模拟计算工具目前对于结构倒塌分析的数值模拟主要借助于有限元软件,有限元软件依据与之相配套的算法种类如表1所示.虽然我国有限元程序的开发工作和国外几乎同时起步,在研究和发展过程中也涌现了大批的通用有限元软件,但截至目前,由于缺乏稳定的研究开发团队和及时的维护更新,我国在数值模拟软件上还是主要依赖国外的商用有限元软件,与国外相比仍有一定的差距.表1国内外常用有限元软件汇总T a b l e1S u m m a r y o f f i n i t ee l e m e n t s o f t w a r ea t h o m ea n da b r o a d国外商用有限元软件隐式有限元显式有限元自编程序国内软件A N S Y SS A P2000M S C.MA R CA D I N AA B A Q U S/S T A N D A R D L S-D Y N AP AM-C R A S HM S C.D Y N AA U T O D Y NA B A Q U S/E X P L I C I T离散元法质点元法无网格法有限质点法J I G F E XS I P E S CHA J I FM E P H3DC I SD AR E A S P2结构倒塌传统数值模拟方法2.1有限单元法有限元(F i n i t eE l e m e n tM e t h o d,F E M)的基础理论是变分原理及连续介质力学.将结构进行离散化处理,在满足基本假设的条件下,根据虚位移原理建立运动方程.在每个单元内,将微分方程中的位移变量由单元节点位移与形函数组成的表达式来代替,依据变分原理求解微分方程,得到单元节点位移[5].按数值积分格式的不同,有限元法可分为隐式有限元和显式有限元.2.1.1隐式有限元隐式有限元是与隐式算法相配套的一类有限元方法,基于单元刚度矩阵建立运动平衡方程,采用隐式积分算法对方程进行迭代求解.主要通过含有塑性铰的杆梁单元[6]㊁平面单元[7]㊁三维实体单元[8]等对结构进行数值模拟分析.由于其精度高㊁积分步长要求低㊁无条件稳定等优点,已成为目前应用最广泛的有限元方法.由于隐式有限元需求解偶联的方程组,需要反复迭代,逐渐逼近真实解.在实际求解过程中,质量㊁刚度㊁阻尼矩阵的阶数一般很高,由于材料非线性而导致刚度矩阵需要不断修正和更新,使得计算量大大提高.由于结构的大位移使结构体系的受力状态发生明显的变化,以致不能采用线性体系的分析方法,其平衡状态需要建立在变形后的构型上,采用更新拉格朗日(U L)或者完全拉格朗日(T L)格式迭代求解,分析代价较高.此外,结构的接触问题相当复杂,在力学上往往涉及材料㊁几何及接触三重非线性.接触界面的约束条件一般通过拉格朗日乘子法或罚函数法实现,敏感度高,求解过程复杂,所以接触问题被视为高度非线性问题.处理几何非线性问题时,隐式有限元通过虚功原理建立平衡方程,进行单元离散,针对不同的单元列式计算相应的单元刚度矩阵,进而迭代求解非线性方程.结构发生连续倒塌时存在强非线性及非连续力学行为,并伴随多重非线性,刚度矩阵将出现奇异,导致结果收敛困难.而对于弹塑性接触问题,不允许在一个积分步长内出现两种非线性[9].处理动力接触问题时,则需要更小的积分步长,此时隐式有限元大步长无条件稳定的优势无法得以发挥.因此,在实际结构分析中,隐式有限元更多被用于结构倒塌破坏前的评定工作[1013].2.1.2显式有限元为解决隐式有限元易发生矩阵奇异而导致收敛困难的问题,科研人员经过大量研究,发现了一系列行之有效的方法,其中,显式积分方法在解决结构非线性动力响应的问题中发挥了最为有效的作用[14].显式有限元的动态平衡方程建立在当前时刻,并利用当前时刻的已知条件求得下一时刻的动力响应(位移㊁速度㊁加速度等).与隐式有限元不同之处在于显式有限元无需联立求解方程组,无需形成整体刚度矩阵迭代求解,在一定程度上避免了矩阵奇异㊁收敛困难等不足.因此,显式有限元在处理强非线性问题上发挥出了较大的优势,在处理材料非线性问题时能够考虑弹塑性㊁损伤㊁应变率效应及断裂破坏,能够处理大位移㊁大转动等几何非线性问题.处理接触问题时具有高效的接触判断和计算效率.在此基础上关于结构连续倒塌的研究也越来越多,刘洺辰[15]利用显式通用有限元软件L S-D Y N A对某5层钢框架结构进行了瞬时去柱非线性动力分析,对结构的连续倒塌过程进行了数值模拟.郭金龙等[16]利用L S-D Y N A分析了某9层钢框架结构在地震作用下的动力响应,表明强震作用下结构中部薄弱层层间位移角达到1/10后持续增大会发生落层倒塌,并对落层倒塌全过程进行了数值模拟.杜修力等[17]采用显式有限元软件L S-D Y N A建立了一套完整的爆炸激励下结构倒塌数值分析方法,并对一栋4层钢框架结构在爆炸载荷作用下的连续倒塌过程进行了仿真分析,研究了钢框架结构的341第2期曲激婷等:建筑结构连续倒塌破坏分析的数值模拟研究方法综述连续倒塌机制㊁各结构构件的破坏形式和受力状态.显式有限元虽然能够对结构倒塌的整个过程进行模拟,但以下几方面仍有待改进.(1)显式有限元在处理断裂倒塌等问题时,采用 生死单元 或者 失效单元 ,随着计算的进行,不断有单元失效而被剔除,具体表现为单元数目逐渐减少,导致整体质量减少,出现质量不守恒的情况[18].(2)由于接触算法的复杂性,显式有限元难以描述构件断裂后的接触碰撞行为.(3)由于建筑结构自重等原因存在初始应力,显式有限元主要采取显-隐式结合方法和动力松弛法两种方式施加初始应力.显-隐式结合的方法在有限元在转换过程中存在一定困难,而动力松弛法采用的大阻尼值没有统一计算标准,计算耗时,结果精度也无法保证.2.2离散元法2.2.1基本原理离散元法(D i s c r e t eE l e m e n tM e t h o d,D E M)是20世纪70年代初C u n d a l l[19]提出的一种分析岩石力学行为的数值计算方法,它可用来模拟岩石等非连续体的断裂和破坏过程.其基本思想是将非连续体离散为若干刚性元素的集合,各刚性元素满足牛顿运动定律,采用显式或隐式方法迭代求解各单元的运动方程,从而求得非连续体的整体运动状态.适用于大变位㊁非线性等非连续力学问题的求解.离散元法的单元从几何形状上分为块体元和颗粒元两大类,其中颗粒元是离散元法中应用最广泛的单元.单元间一般由连结于节点间的变形元件(弹簧㊁阻尼㊁摩擦元件等)来实现.离散元主要有二维U D E C和三维3D E C块体程序,以及P F C2D和P F C3D颗粒元程序[20].2.2.2倒塌分析中的特点及应用M o t o h i k o等[21]对C u n d a l l的块体元进行了改进,提出了扩展离散元模型,并将其引入结构工程领域的研究分析中:通过将混凝土中的骨料颗粒模拟为圆形颗粒单元,骨料间的砂浆模拟为连接单元间的弹簧,对一平面钢筋混凝土框架结构在超大震作用下的倒塌过程进行了模拟仿真.周健等[22]首次将颗粒流离散元应用于建筑结构的大变形分析,利用二维颗粒流数值模拟软件P F C2D对某5层两跨平面框架结构输入正弦地震波,形象地模拟了各构件从开裂㊁失效㊁局部断裂到整体倒塌的全过程,为建筑结构的连续倒塌研究提供了一个新的途径.金伟良等[23]对离散矩形单元进行了改进,并引入了节点单元和混凝土非线性特性,给出了改进后离散元模型的破坏准则等计算参数的确定,对某3层平面钢筋混凝土框架结构在爆炸作用下的倒塌破坏过程进行了模拟.离散元通过将结构构件离散为大量的颗粒元或块体元(统称 离散单元 ),各离散元之间定义各种接触和粘结,以此实现单元间的摩擦㊁滑移及单元本身的运动.当离散元之间的受力超过限值,单元间粘结发生破坏导致相互分离.在处理建筑结构连续倒塌问题时,离散元避免了单元消失㊁质量不守恒的现象,单元间粘结的渐进破坏可以很好地模拟结构构件裂纹的出现㊁生长及断裂的过程.利用离散元方法强大的非连续体计算能力以及较为成熟的接触模型,能够对建筑结构的倒塌全过程进行模拟,尤其是在倒塌过程非连续体阶段的接触碰撞计算方面,离散元方法表现出了独特的优势.但在以下几方面仍有待改进[24].(1)由于离散元法的本质是基于非连续介质力学,因此离散元法在连续介质力学的模拟精度有限,连续介质向非连续介质转化的动力计算存在一定困难.(2)离散元只能采用构件层面上的恢复力模型,不能够继承有限元成熟的大变形单元和材料应力-应变本构理论,因此并没有从根本上揭示结构破坏的力学本质.(3)在处理连续介质与非连续介质共存的强非线性动力计算问题上,仍然存在较大的技术难度.(4)由于 离散元 的多样性,在大型三维结构非线性分析方面效率不高.2.3有限元与离散元耦合方法2.3.1基本原理针对有限元方法处理连续变形及离散元方法处理非连续变形方面的优势,国内外许多学者提出了有限元与离散元耦合方法,即将有限元与离散元相结合以发挥各自的优势.有限元与离散元的耦合算法发挥了有限元处理连续变形及离散元处理非连续变形方面的优势,将连续介质力学与非连续介质力学两大领域联系起来,实现了连续介质向非连续介质的动态转化,因此,在处理结构连续倒塌数值模拟计算问题上是一种较为理想的方法.2.3.2倒塌分析中的特点及应用N i k o l i n a等[25]基于有限-离散元法(F D E M)建立了二维和三维的钢筋混凝土结构数441沈阳大学学报(自然科学版)第30卷值模型,实现了结构从连续到非连续转变过程中的断裂和破坏模拟.王福军等[26]通过构造接触力模型,将离散元视为一节点有限元,新构造的一节点单元与传统有限单元具有相同的物理特性,提出了能同时处理连续体和离散体动态过程的广义有限元法(G F E M),将离散元和有限元结合在一起,通过数值算例,表明该方法可以更加有效地模拟大量离散体与连续体相互作用的复杂动力学过程.齐念[27]针对空间网壳结构建立了一种D E M/ F E M耦合计算模型,网壳节点局部和发生大变形的区域采用D E M模拟,弹性小变形区域采用F E M模拟.通过虚功方程和变分原理推导出了耦合模型的系统控制方程,给出了耦合模型计算流程,并自主开发了相关计算程序.通过相应的算例验证了耦合模型的高效性和稳定性.D E M/F E M 耦合计算模型的提出为研究大型复杂结构倒塌破坏分析提供了一种新的计算手段.叶继红等[28]针对F E M在处理不连续位移场时存在的困难,结合D E M的优点,提出了D E M/F E M耦合计算模型.该计算模型依据结构变形程度,将计算域划分为D E M及F E M两个独立的子域,采用F E M模拟结构发生小变形的区域,采用D E M模拟发生大变形或构件产生断裂的区域,然后通过罚函数法求解D E M域与F E M域交界面出现的界面耦合力,并将其应用于大跨空间网格结构,利用自主开发的程序对某空间网壳结构在冲击载荷作用下的倒塌过程进行了分析,验证了提出的耦合计算模型具有计算效率高㊁精度可靠等优点.但该算法在初始建模时便划分并确定了各自的计算域,使得D E M与F E M间的接触点对保持不变,D E M 域与F E M域之间无法实现自动转换,这与结构的实际受力情况有所偏差,在后续研究过程中可建立自适应耦合模型,通过设定某种法则实现D E M域与F E M域之间的自动转换,动态更新接触点对.虽然有限元与离散元的耦合算法保留了有限元法的计算精度以及离散元法的非连续体计算能力,实现了结构由连续体向非连续体的转化,但是这种方法的本质是两套独立的系统在单独运行,结构体系中有限单元与离散单元共存,直接导致的结果就是该方法在计算过程中将面临三种接触类型共存的情况,即有限单元与有限单元的接触㊁有限单元与离散单元的接触以及离散单元与离散单元的接触,由于接触算法本身的复杂性,较多的接触类型使得计算效率和计算精度遭受重大挑战.2.4质点元方法万福磊等[2930]针对D E M在连续介质力学方面遇到的瓶颈以及F E M与D E M耦合算法在计算效率方面的不足,提出了能够考虑几何㊁材料及接触3重非线性用于连续介质与非连续介质共同作用的质点元方法(P a r t i c a lE l e m e n t M e t h o d, P E M),并对某多层平面框架结构在底层柱破坏后的连续倒塌过程进行了模拟仿真,证明了该方法的有效性.2.4.1基本原理质点元法通过定义广义连接模型㊁构造连接模型转化法则及建立接触碰撞算法,将显式有限元与离散元结合,使其具有相同的计算框架,实现了连续介质向非连续介质的动态转化.同D E M 一样,质点元法将结构离散为一群 质点元 的集合,质点元具有一定的体积和形状,满足牛顿第二运动定律.质点元的定义能够精确或近似描述结构的形状,如立方体形㊁柱形及球形等,根据实际的结构构件选择合适的质点元.通过质点元间的连接模型来模拟结构的变形和受力情况,若结构处于连续体阶段,则质点元间的连接模型为有限单元模型,当进入非连续体阶段时,连接模型为离散单元的接触碰撞模型;采用罚函数法或拉格朗日乘子法通过质点元的位置和形状来进行接触判断的计算,通过有限元的破坏法则建立连接模型转化法则,以此转换质点元之间的连接模型,实现连续体向非连续体的转化.2.4.2倒塌分析中的特点质点元法在处理连续体受力时为显式有限元法,当连续体通过连接模型转化法则转化为非连续体时,离散元法代替显式有限元法进行下一步计算.质点元法不但继承了F E M成熟的单元技术和本构技术,还保留了D E M强大的非连续体计算能力.另外,质点元方法中的单元均是 质点单元 ,单元的接触计算均在质点元之间进行,因此避免了有限元与离散元耦合算法中存在的多种接触类型,相比于耦合算法提高了计算效率.但是,质点元法的本质仍旧是显式有限元与离散元的 耦合 ,单元本质是 离散 单元,即球形颗粒单元和块体单元.该方法的离散模型较适合于颗粒状结构的模拟,当扩展为三维结构时,由于庞大的质点元数量,计算量加大,进行大型空间结构的倒塌模拟较为困难.2.5非连续变形分析法2.5.1基本原理非连续变形分析(d i s c o n t i n u o u sd e f o r m a t i o n541第2期曲激婷等:建筑结构连续倒塌破坏分析的数值模拟研究方法综述a n a l y s i s,D D A)是由石根华[31]于20世纪80年代提出的一种与有限元法平行的数值计算方法,不同之处在于D D A法可用于求解非连续介质体系的位移㊁变形及内力,可计算非连续面的错动㊁滑移㊁转动等大位移㊁大转动的静动力问题.其原理是将许多不连续的物理面切割而成的块体作为基本单元,每个块体单元有6个自由度,通过罚函数引入块体之间的接触作用和各块体上的位移约束条件,将若干个独立的块体单元连接起来组成一个块体系统,依据最小势能原理建立总体平衡方程,并引入边界条件和块体运动学理论进行求解.该方法主要用于非连续块体系统的运动与分析,可以较好地模拟非连续介质大变形㊁大变位的复杂问题,在岩土工程领域应用十分广泛[32]. 2.5.2倒塌分析中的特点及应用由于D D A法在非连续介质系统运动与分析中表现出的优越性,有研究人员将该方法应用于建筑结构的连续倒塌破坏分析中.S a k a t a等[33]介绍了基于D D A法的结构体系的设计步骤,并对D D A法用于结构体系发生失效到倒塌过程的分析结果进行了评价.贾金河等[34]将结构视为多个不连续块体组成的块体系统,分别采用F E M和D D A法对某7层钢筋混凝土框架结构在拆除爆破作用下的失稳模式和倒塌过程进行了模拟.胡文军等[35]以D D A法作为计算机模拟软件的切入点,叙述了钢结构爆破拆除计算机模拟软件的功能和流程,并对1个钢结构进行了爆破拆除模拟,证明了D D A法模拟结构连续倒塌的可行性.但是,D D A法采用隐式的矩阵解法求解平衡方程的过程比较烦琐,计算效率相对较低,对于构件繁多㊁受力复杂的空间结构,计算难度难免会加大,计算精度也有待斟酌,因此D D A法在建筑结构领域的应用不是很广泛[36].3有限质点法针对已有数值方法在结构接触碰撞㊁断裂倒塌等复杂行为模拟中的不足,美国普渡大学丁承先教授[3739]于2004年基于向量力学与数值计算提出了一种新型数值计算方法向量式有限元(V e c t o r F o r m I n t r i n s i c F i n i t e E l e m e n t, V F I F E),该方法为求解结构大变形㊁大变位㊁弹塑性㊁接触碰撞㊁断裂倒塌等复杂不连续力学行为而产生.胡强等[40]基于V F I F E理论,将位移控制应用到结构静力分析中,讨论了影响静力解的主要因素,提出了V F I F E静力分析的意义.数值分析表明V F I F E静力分析在大变形㊁弹塑性和发生屈曲变形的结构中均适用.喻莹㊁罗尧治等[4143]在丁承先教授的帮助下,在向量式力学与固体力学概念的基础上,提出了更加面向结构工程的数值分析方法有限质点法(F i n i t e P a r t i c l e M e t h o d,F P M),V F I F E与F P M并没有本质的区别.3.1基本原理F P M以点值描述㊁途径单元和逆向运动为基本概念,以清晰的物理模型和质点运动控制方程描述结构行为.以杆系结构为例,将杆单元离散为多个质点的集合和连接质点的单元,结构的质量全部集中于质点,各质点间的单元没有质量,只传递内力,质点的运动满足牛顿第二运动定律.将质点的运动途径在时间域上离散为多个微段,质点在各个微段内的运动路径称为途径单元;在一个途径单元内,单元的位移包括刚体位移和纯变形, F P M认为单元内力只与两点间相对位置的纯变形有关,通过虚拟的逆向运动来消除单元的刚体位移获得单元纯变形,计算得到单元内力后,通过虚拟的正向运动回到途径单元终止时刻,通过相应的坐标转换便可得到域坐标下的单元内力.F P M弱化了质点间连接单元的作用,单元仅反映质点间力的关系,单元内力由两空间质点之间发生相对位移而产生,与其他任何点都没有关系,可任意增减单元和改变边界条件.因此,单元的断裂在本质上并没有增加结构分析的难度,仅改变了质点间力的关系,所有质点仍受运动方程的控制.可见,F P M在处理断裂问题时有其独特的优势.3.2倒塌分析中的特点及应用为说明F P M在处理断裂问题时的可操作性,以杆系结构为例,建立一个简单的断裂模式,假定单元直接断开,不考虑裂纹的产生和发展,其断裂原则为[44]:(1)构件断裂后在断裂位置必产生新的质点;(2)断裂过程中结构单元数目保持不变;(3)构件的断裂仅发生在单元两端的质点;(4)自由端不发生断裂.选取合适的断裂准则以判断单元是否发生断裂,结构构件断裂后其拓扑关系发生变化,包括断裂处新质点的生成㊁单元连接关系的改变㊁质点质量的更新以及内力重分配的操作,需要对模型进行如下修正.(1)断裂处质点生成.单元质点发生断裂后产生新的质点,新增质点的运动状态(坐标㊁速度641沈阳大学学报(自然科学版)第30卷。

高层建筑结构地震损伤与倒塌分析一、本文概述高层建筑结构地震损伤与倒塌分析是一个重要且复杂的研究领域，对于提高建筑结构的抗震设计水平，保障人民生命财产安全具有重要意义。

本文旨在深入探讨高层建筑在地震作用下的损伤机制、倒塌模式以及相应的分析方法。

通过综合国内外相关研究成果，本文分析了高层建筑结构地震损伤与倒塌的主要影响因素，包括建筑结构的设计、施工质量、地震动特性等。

同时，本文还介绍了目前常用的地震损伤评估方法和倒塌分析方法，以及这些方法的优缺点和适用范围。

在此基础上，本文提出了一些改进高层建筑结构抗震性能的建议和措施，包括优化结构设计、提高施工质量、采用先进的抗震技术等。

这些建议和措施可以为高层建筑结构的抗震设计和施工提供有益的参考和借鉴。

二、高层建筑结构地震损伤分析在地震灾害中，高层建筑结构的损伤分析至关重要。

由于高层建筑的结构复杂，地震对其产生的破坏通常更为严重。

在进行地震损伤分析时，需要考虑多种因素，如建筑的设计、材料、施工方法、地震波的特性以及地震的强度等。

我们需要理解地震波对高层建筑结构的影响。

地震波在建筑结构中产生应力和应变，这些应力和应变超过材料的承载能力时，就会导致结构的损伤。

高层建筑由于自身的特点，如柔性大、自振周期长等，使其在地震中更容易受到破坏。

高层建筑结构的损伤分析需要考虑结构的动力特性。

地震波的特性、建筑结构的自振周期、阻尼比等因素都会影响结构的动力响应。

在进行地震损伤分析时，需要建立精确的动力分析模型，以模拟地震波在建筑结构中的传播和能量耗散过程。

高层建筑结构的损伤分析还需要考虑材料的非线性行为。

在地震作用下，建筑材料的应力应变关系往往表现出非线性特性。

这种非线性行为会影响结构的动力响应和损伤程度。

在进行地震损伤分析时，需要引入材料的非线性本构模型，以更准确地模拟结构的受力状态和损伤过程。

高层建筑结构的地震损伤分析还需要考虑结构的整体性和局部性损伤。

整体性损伤主要关注结构的整体稳定性和承载能力，而局部性损伤则关注结构中的关键部位和薄弱环节。

建筑结构连续性倒塌及其控制设计的研究现状分析摘要：建筑结构连续性倒塌是指建筑的形成和初始损伤结构在载荷的作用下,结构的内力的再分配,其他结构失效和连锁反应的结果,和大规模的失败或崩溃的结果不是成正比的初始局部破坏结构。

连续倒塌的原因可能是爆炸、冲击、火灾、飓风、地震、异常降雪等意外因素。

目前，我国对连续抗倒塌设计的研究还不够，因此，本文希望对建筑结构连续性倒塌极其控制设计进行研究，希望可以推动相关的研究工作。

关键词：建筑结构；连续性倒塌；控制设计；现状分析。

引言连续性倒塌是建筑结构的一种特殊形式,指结构的局部破坏意外荷载作用下(主要包括炸药爆炸、瓦斯爆炸、车辆影响和沉重的影响,等等)继续扩大,并最终导致结构的崩溃在大规模甚至整个失去承载能力。

近年来，国内外许多突发事件(爆炸、火灾、地震、恐怖袭击等)已导致建筑物倒塌，造成重大人员伤亡和财产损失，并产生了负面的社会影响，因此也受到了越来越多的人关注[1]。

1、建筑结构连续性倒塌设计的一般规定根据国际标准对建筑结构连续倒塌设计的相关研究成果，并结合我国混凝土结构设计规范的实际情况和建筑连续加固的抗倒塌目标，全面分析了国内外的倒塌情况，目前适用于连续抗倒塌钢筋混凝土框架结构的设计方法主要有间接控制法、直接设计法和设计法。

间接设计方法实际上是指通过提高结构的冗余性、连续性和延展性，从而提高建筑抗连续倒塌能力，从而增强整个结构系统的完整性的一些概念设计措施。

直接设计方法是通过改变荷载传递路径来分析或设计结构的抗倒塌能力，包括去掉构件的方法和关键构件的方法，事件控制方法是采取措施消除结构连续倒塌的原因[2]。

2、连续抗倒塌设计理念根据国家规范的规定和原则，结构抗连续倒塌设计的指导思想可以分为两个方面。

例如，结构分区是隔离的，因此局部损坏仅限于分区范围。

其次，提高结构的完整性、冗余性和延性，将结构损伤控制在局部范围内，避免整体垮塌。

有两种方法可以使用。

一是,设计可以直接遭受意外荷载的结构,设计备用组件,荷载传递路径等等,对关键系统进行总体结构设计,使其有足够的安全储备[3]。

爆炸荷载作用下建筑结构连续倒塌分析研究进展XXX摘要: 随着恐怖爆炸以及偶然性爆炸的不断增多, 建筑物的抗爆、防爆问题越来越受关注。

近些年来, 国内外学者对爆炸荷载作用下建筑结构的破坏与连续倒塌进行了广泛的研究, 内容包括各类结构构件在爆炸荷载作用下的动态响应特征与损伤破坏机理、结构构件承受爆炸荷载后的损伤程度评估以及结构连续倒塌分析等。

综述近些年来国内外爆炸荷载作用下建筑结构的连续倒塌分析研究的最新进展。

关键词：爆炸荷载; 建筑结构; 连续倒塌; 破坏分析; 研究进展State-of-the-art in Progressivecollapse analysis of buildingstructures under blast loadsXXXAbstract: With the growing number of terrorist bombings and accidental explosions, we take more and more attention to the blast resistant of building structures. Recently, scholars both at home and aboard have done extensive researches about the damage and progressive collapse of building structures under blast loading, including dynamic response characteristic and damage mechanism of structural components under blast loading, damage degree evaluation of structural components under blast loading and progressive collapse analysis of structures under blast loading. This paper reviews the state-of-art in progressive collapse analysis of building structures under blast loading both at home and aboard.Keywords:blast load; building structure;; progressive collapse; damage analysis; state-of-the-art引言近些年来，国内外学者对爆炸荷载作用下建筑结构物连续倒塌进行了广泛的研究，研究包括解析方法，数值模拟方法，实验方法。