基于离散单元法的钢筋混凝土框架结构地震倒塌仿真分析

论文摘要

基于离散单元基本方法,建立了适用于地震作用下钢筋混凝土框架结构平面倒塌反应分析的二维分析模型:即采用梁、柱离散体系,将结构离散为梁单元和柱单元;在单元之间设组合弹簧,引入轴向弹簧、受剪弹簧、受弯弹簧的线弹性力和位移的关系,用于考虑单元的拉压、剪切、弯曲变形;采用了同步动态松弛方法对离散单元分析模型在地震作用下进行数值求解,在求解过程中着重考虑了单元之间的碰撞问题,运用了适用于矩形单元的碰撞检测方法,提高了计算的效率和时间;采用了两种碰撞计算方法相结合的方式针对不同的碰撞方式分别进行计算,达到了逼真显示结构构件倒塌过程中相互碰撞的现象;地震倒塌分析程序SCFS的编写过程中,本文提出了用链表来表示单元连接情况的方法,该方法很好地利用了链表结构的增加、删除结点的方便性,使链表中结点的删除和一组弹簧退出工作相对应,从而十分有效而且形象地在SCFS程序中实现弹簧发生破坏退出工作的功能;SCFS程序包括建模、计算、动画演示三大部分,是一款能比较有效地进行地震作用下平面框架结构的倒塌仿真分析的程序。本文的最后运用倒塌仿真分析程序SCFS对两个实例做了分析计算,并对结构倒塌的全过程进行了动画演示,从动画演示的结果来看,SCFS程序能够对框架结构的倒塌进行逼真的演示。倒塌仿真分析程序SCFS可以作为结构设计或已有结构安全性评估的辅助分析工具。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究意义与选题依据
• 1.2.1 研究意义
• 1.2.2 选题依据
• 1.3 钢筋混凝土框架结构倒塌仿真分析的研究现状
• 1.3.1 有限单元法在钢筋混凝土框架结构倒塌分析中的应用
• 1.3.2 离散单元法在钢筋混凝土框架结构倒塌分析中的应用
• 1.3.2.1 扩展的离散单元法的应用
• 1.3.2.2 应用单元法的应用
• 1.3.2.3 平面质点桁架离散单元法的应用
• 1.3.2.4 杆段离散单元模型的应用
• 1.3.2.5 基于层模型的离散单元模型的应用
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 离散单元法的基本理论介绍
• 2.1 离散单元法的基本思想
• 2.2 离散单元法的基本方程
• 2.2.1 物理方程─力和位移的关系
• 2.2.2 运动方程─牛顿第二运动定律
• 2.3 离散单元法的数值计算方法
• 2.3.1 静态松弛离散单元法
• 2.3.1.1 刚体块体的位移变换式
• 2.3.1.2 刚体位移的计算
• 2.3.1.3 静态松弛法的联立方程
• 2.3.2 动态松弛离散单元法
• 2.4 离散单元法中的计算参数
• 2.4.1 阻尼
• 2.4.2 时步
• 2.5 小结
• 第三章 地震作用下框架结构倒塌的分析方法
• 3.1 基于离散单元法的计算模型
• 3.2 矩形刚体单元长度的确定
• 3.3 组合弹簧系数的确定
• 3.3.1 法向弹簧
• 3.3.2 受剪弹簧
• 3.3.3 受弯弹簧
• 3.4 组合弹簧破坏准则
• 3.5 阻尼系数
• 3.6 时步
• 3.7 离散单元法的结构倒塌反应分析
• 3.7.1 单个单元的基本运动方程-中心差分法
• 3.7.2 整个结构的反应求解-同步动态松弛法
• 3.8 地震动的输入
• 3.9 碰撞问题的处理
• 3.9.1 单元之间的碰撞检测
• 3.9.2 单元之间碰撞计算
• 3.10 边界单元的处理
• 3.11 初始条件和终止条件
• 3.11.1 初始条件
• 3.11.2 终止条件
• 3.12 小结
• 第四章 地震作用下框架结构倒塌仿真程序SCFS的开发
• 4.1 面向对象设计
• 4.1.1 面向对象的概念
• 4.1.2 面向对象设计的内容
• 4.2 开发语言 C++
• 4.3 Visua1 C++、MFC
• 4.4 仿真程序SCFS的总体结构
• 4.5 建模方式
• 4.6 数值计算
• 4.6.1 弹簧破坏后的处理
• 4.6.2 碰撞计算开始的时间选择
• 4.6.3 计算结果的输出处理
• 4.7 动画显示
• 4.7.1 动画的原理
• 4.7.2 动画的背景图
• 4.7.3 动画按钮
• 4.7.4 碰撞的动画实现
• 4.8 数据后处理
• 4.9 小结
• 第五章 SCFS倒塌仿真程序实例应用
• 5.1 三层钢筋混凝土框架结构实例
• 5.1.1 结构简介
• 5.1.2 地震波的输入
• 5.1.3 结构倒塌仿真分析
• 5.2 六层钢筋混凝土框架结构实例
• 5.2.1 结构简介
• 5.2.2 地震波的输入
• 5.2.3 结构倒塌仿真分析
• 5.3 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果