工程与技术科学基础学科

工程与技术科学基础学科

不同抗震设防RC框架结构抗倒塌能力的研究

施炜，叶列平，陆新征，等

目的：建筑结构抗地震倒塌能力是结构抗震性能的核心目标。目前我国现行抗震规范第二阶段抗地震倒塌验算一般仅针对少数重要建筑结构进行；而对大量一般房屋建筑，则主要依赖结构抗震概念设计和抗震构造措施，缺乏抗地震倒塌的定量计算方法和抗地震倒塌能力的定量评价指标。我国发生的多次大震中，极震区及其周边区域的实际地震烈度往往比规定的设防烈度大得多，因此建筑结构不仅应当满足规定烈度下的抗震要求，还需要具备足够的抗倒塌安全储备来抵抗可能遭遇特大震的倒塌破坏，这就要求对结构抗地震倒塌能力和抗倒塌安全储备加以定量化评估。2008年汶川地震的震害调查结果表明，按照我国现行抗震规范设计的建筑结构，抗大震和特大地震倒塌的能力还有待进一步提高，为此需开展结构抗地震倒塌能力评价方法、大震抗倒塌定量设计方法以及特大地震倒塌能力的研究。方法：本文设计了一组抗震设防烈度不同而其他设计条件均相同的钢筋混凝土框架结构，并对对中间榀框架进行设计、建模和分析。分析采用的地震波数据库为ATC-63报告建议的22条远场地震波，另外增加常用的El-Centro波，一共23条。以ATC-63建议的结构第一周期地震影响系数Sa（T1）作为地面运动强度指标对该组地震记录进行归一化处理。通过基于动力增量时程分析方法（IDA，Incremental Dynamic Analysis）的结构抗倒塌易损性分析，定量给出了结构的抗倒塌储备系数（CMR，Collapse Margin Ratio），并对结构抗地震倒塌能力的影响因素进行了研究。其中，本文采用清华大学土木系基于MSC。MARC分析软件开发的钢筋混凝土杆系结构纤维模型 ThuFiber程序进行建模和分析，以倒塌的真实物理定义“结构丧失竖向承载力而不能维持保障人员安全的生存空间”作为倒塌的判据，在计算分析中，当结构构件坠落超过1/3层高，视为倒塌已经充分发展。结果：（1）不同设防烈度框架结构在相应罕遇地震时的倒塌概率分别为0%、4%、0%、0% 和 0%；在特大地震的倒塌概率分别为 0%、65%、4%、13% 和0%；CMR分别为3.29、1.60、2.06、2.70和2.82。（2）同一结构在不同地震输入下的倒塌失效模式存在差异。但基本变化规律是，随着结构设防烈度的提高，结构临界倒塌时发生屈服的塑性区越来越多，塑性变形发展程度也越来越高，即全部或大部分构件均参与抵抗地震作用，耗散地震输入能量。（3）结构抗倒塌安全储备指标CMR与最大设计柱轴压比存在负相关性。各框架模型的最大设计柱轴压比均在底层，故底层柱轴压比对框架结构的抗倒塌安全储备有着决定性影响。结论：（1）在大震作用下基本能够满足抗倒塌要求，但在遭遇特大地震时，7度（0.10 g）设防框架的抗倒塌能力明显存在不足。（2）柱截面尺寸是影响结构抗地震倒塌能力的重要因素。设防烈度低[6度，7度（0.10 g）]的结构往往柱截面尺寸较小，柱轴压比较大，底层柱脚缺乏足够的变形能力，是导致结构倒塌的薄弱部位，抗地震倒塌能力和抗倒塌安全储备相对较低。随着设防烈度的提高，柱截面尺寸相应增大，柱轴压比减小，底层柱脚变形能力增强，遭遇强震时结构中由更多的其它楼层构件参与抵抗地震作用、耗散地震能量的能力增大，抗地震倒塌能力的抗倒塌安全储备相对较高。（3）建议规范可考虑更严格控制轴压比，或增加底层框架柱的箍筋约束，来提高低设防烈度（尤其是7度设防）框架结构的底层柱抗震性能，提高其抗地震倒塌能力。

来源出版物：工程力学, 2011, 28(3): 41-48，68

入选年份：2014

钢-混凝土组合梁疲劳性能研究综述

聂建国，王宇航

摘要：目的：组合梁在20世纪五六十年代开始应用于实际工程，由于使用时间不长，远未到达其疲劳寿命，因此还没有一起组合桥梁和组合吊车梁的疲劳破坏事故发生，疲劳荷载对组合梁造成的影响还未充分表现出来。随着人们对结构疲劳问题的认识逐渐深入，组合梁的疲劳问题开始引起人们的重视。为了进一步推广和应用具有明显经济和社会效益的钢-混凝土组合梁，对国内外钢-混凝土组合梁疲劳性能的研究现状进行回顾和分析，以供实际工程设计参考。方法：对已有关于钢-混凝土组合梁疲劳性能研究的文献进行归类总结，其中关于栓钉疲劳性能的研究内容主要包括栓钉的疲劳寿命，钢与混凝土界面滑移和疲劳破坏形态等。对国内外有关钢-混凝土组合梁疲劳的试验研究、计算方法以及相应规范进行综述和分析评价，论述组合梁的疲劳破坏形态和影响因素，搜集国内外大量栓钉疲劳试验实测数据结果，分析总结各国规范，包括《欧洲规范4》、日本《钢-混凝土组合梁桥规范》和美国《公路和桥梁设计规范》（AASHTO）等，对组合梁疲劳问题的条文规定，并在大量计算结果及分析规律的基础上给出设计建议。结果：栓钉疲劳寿命对其所承受的剪应力幅最为敏感，当栓钉承受的应力上限接近甚至等于栓钉的静力抗剪强度时，无论应力幅多大，栓钉都将很快发生疲劳破坏，建议用界面滑移量来评估承受低周疲劳荷载的栓钉的疲劳寿命。栓钉的静力抗剪强度与栓钉母材的强度、混凝土的强度和弹性模量有关，这三个因素对栓钉的疲劳寿命也有所影响。目前已有的试验结果表明，钢-混凝土组合梁疲劳破坏模式主要为栓钉疲劳剪切破坏和钢梁受拉翼缘受拉破坏，而混凝土板由于基本处于受压状态，因此不存在疲劳破坏问题。结论大多数研究主要集中于组合梁中栓钉的疲劳性能，而组合梁中栓钉的受力状态与推出试验中栓钉的受力状态有差别，建议进一步开展钢-混凝土组合梁的整梁疲劳试验，以考察实际梁中栓钉的疲劳性能。基于断裂力学等理论，对栓钉疲劳性能进行理论分析，从而突破传统的试验数据拟合的方法。通过已有的推出试验得到的钢与混凝土界面的滑移规律以及钢材和混凝土的疲劳本构，推导组合梁在疲劳荷载作用下的刚度退化规律。

来源出版物：工程力学, 2012, 29(6): 1-11

入选年份：2014

建筑隔震结构研究进展与分析

朱宏平，周方圆，袁涌

摘要：目的：基础隔震技术在减震控制效果、防灾减灾以及社会经济效益等方面具有显著优势，近几十年在建筑结构与桥梁工程领域中取得了成功应用。本文全面综述了国内外学者针对建筑隔震技术方面取得的研究成果以及工程应用研究现状，为建筑基础隔震技术进一步的研究工作的制定提供参考。方法：查阅国内外基础隔震相关文献，将现有研究成果主要分为叠层橡胶支座体系、滑动摩擦体系、组合隔震体系、以钢筋沥青隔震和砂垫层隔震体系为代表的新型隔震体系等几方面进行介绍。其中，考虑到高阻尼橡胶支座因其所特有的耗能优势及无污染特点，目前正成为研究的热点，本文予以重点介绍。另外，本文还对隔震技术在高层建筑领域中取得的进展及存在的问题进行了阐述，讨论了我国高层建筑结构隔震技术以及层间隔震研究的下一步发展方向。结果：总结国内外研究表明：（1）在橡胶隔震体系中，常用的橡胶支座包括天然橡胶支座、铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座，其中高阻尼橡胶支座由于其较强的阻尼性能和无污染的特点，目前正成为研究热点并逐步得到推广应用。然而，高阻尼橡胶支座由于其材料的频率相关性、位移相关性等复杂的力学性能，目前仍缺少较为精确的本构模型。（2）为防止支座在较大地震作用下发生永久变形，在高烈度地区，高阻尼橡胶支座常和阻尼器组合使用，其中，形状记忆合金阻尼器因其具有超弹性特性和高阻尼特性，目前成为隔震领域里的一个研究热点。（3）组合隔震体系由滑动摩擦隔震支座和叠层橡胶隔震支座并联组成，基本原理是系统中的叠层橡胶隔震支座提供系统的向心恢复力，而滑动摩擦隔震支座提供滞回耗能，隔离地震。所以，这种组合隔震体系兼有叠层橡胶隔震体系和滑动摩擦隔震体系的优点，有效避免了各自的缺点，近年来得到国内外的广泛应用。（4）随着城镇及经济欠发达地区的防灾减灾问题逐步引起人们的重视，开发适用于农村地区的成本隔震系统也正形成新的研究热点。（5）虽然已经存在高层建筑隔震的实际工程应用，但是隔震技术在高层结构中的应用仍然存有疑点，有待进一步研究。（6）目前国内外对于层间隔震体系的理论研究成果还不很充分，理论研究明显滞后于工程应用，大多数的研究是针对某一实际结构进行的振动台试验和相应的动力分析。结论：目前关于高阻尼橡胶隔震支座的非线性模型的研究已经取得了初步的进展，但由于高阻尼橡胶支座复杂的非线性应力-应变本构关系，如何提出一个合理的非线性模型来模拟高阻尼橡胶支座的动力特性仍有待进一步的完善；虽然已经在实际工程中得到应用，高层建筑隔震仍然存在一定的疑问和缺陷；层间隔震的理论研究仍落后于工程应用；随着研究的深入，及新材料、新工艺的进一步发展，新的隔震设计思路和新的隔震体系也会不断出现。要使隔震技术更加实用，隔震的设计理论有待进一步发展，应尽快制定适合我国国情和材料性能特点的隔震设计规范。

来源出版物：工程力学, 2014, 31(3): 1-10

入选年份：2014

基于OpenSees的RC框架-核心筒超高层建筑抗震弹塑性分析

解琳琳，黄羽立，陆新征，等

摘要：目的：近年来世界范围内地震频发，使得高层和超高层建筑结构的抗震性能研究成为一个热点问题。大量研究表明，数值模拟已经成为研究高层和超高层结构抗震性能的一个有效手段，其中OpenSees（Open System for Earthquake Engineering Simulation）作为一款开源的有限元软件已经逐渐发展成为地震工程领域最具影响力的开放科研平台之一。但是目前OpenSees主要用于构件和较小规模结构的抗震性能研究，基于OpenSees的复杂结构抗震性能研究尚未见报道。这主要是因为OpenSees的单元以纤维梁柱模型为主，该模型不能方便准确的考虑多种剪力墙（包括开洞剪力墙、带翼缘剪力墙和筒体）的复杂受力特性，从而阻碍了基于OpenSees的超高层地震灾变研究的开展。本研究的目的：是在OpenSees中开发可以考虑剪力墙复杂受力特性的分层壳模型和相应的多维材料本构模型，并通过对一系列剪力墙算例和一框架－核心筒超高层建筑结构的数值分析，验证开发的剪力墙模型的合理性和准确性，为进一步发展基于OpenSees的超高层建筑结构抗震性能分析提供参考。方法：在分层壳单元中，混凝土处于二维受力状态，需要开发合适、可靠且鲁棒性的混凝土二维本构模型。本研究提出采用基于损伤力学和弥散裂缝模型来模拟分层壳单元中混凝土的二维受力行为。受压损伤参考 Lϕland建议的受压损伤演化曲线，受拉损伤参考 Mazars建议的受拉损伤演化曲线。对于剪力墙内的分布钢筋，本研究基于OpenSees中现有的单轴钢筋模型开发了相应的多维钢筋模型。本研究对大量剪力墙构件算例分别采用纤维梁模型和分层壳模型进行模拟，并与试验结果进行对比分析，以验证所建立的分层壳单元的合理性、准确性和通用性。基于此，本研究采用纤维模型（模拟梁柱）和分层壳模型（模拟剪力墙），对一42层 141.8 m的 RC框架-核心筒超高层结构进行了模态分析、推覆分析和动力时程分析，并将计算结果与相应的MSC。Marc模型计算结果进行对比，以验证该模型进行超高层结构弹塑性分析的合理性和可靠性。结果：（1）对于剪跨比较大且配有足够水平抗剪钢筋的矩形剪力墙构件和带翼缘剪力墙构件，由于其基本受弯曲破坏控制，所以本研究提出的分层壳模型和纤维模型的模拟结果与试验结果均吻合良好。（2）对于剪跨比较小的剪力墙构件，由于其主要受剪切破坏控制，纤维模型模拟结果相对较差，而分层壳模型则能较好的反映弯剪耦合受力特性；对于联肢剪力墙，纤维模型建模繁琐且不能很好的考虑剪跨比比较小的墙肢和跨高比较小的连梁的剪切破坏，因此不适用于该类构件，而分层壳模型则能很好的反应其复杂受力特性。（3）对框架-核心筒超高层结构分别采用OpenSees 和MSC。Marc进行分析，两者模态分析结果吻合良好；推覆分析结果整体吻合良好，局部略有差异，但可以满足相关研究需求；110 gal、300 gal、510 gal和1000 gal下两者顶点位移时程曲线基本一致，各层层间侧移角包络也基本吻合。结论：（1）本研究在OpenSees中开发并集成了分层壳模型用于模拟超高层结构中的剪力墙，并通过对一系列剪力墙构件进行模拟验证了本研究该模型的可靠性、合理性和通用性。（2）本研究建立了基于OpenSees的RC框架核心筒超高层结构弹塑性分析的体系，将分析结果与MSC。Marc的计算结果进行对比分析，两者吻合良好，进一步验证了本文提出的单元的合理性和可靠性，为进一步基于OpenSees开展超高层建筑结构的地震灾变行为研究提供参考。

来源出版物：工程力学, 2014, 31(1): 64-71

入选年份：2014

钢筋混凝土纤维梁柱单元实用模拟平台

禚一，李忠献

摘要：目的：地震作用下钢筋混凝土长大桥梁结构往往进入非线性损伤破坏阶段，而精细化结构地震模拟方法对准确分析结构的非线性地震响应尤为重要。为精细化模拟钢筋混凝土结构的非线性滞回性能，本文建立一种实用模拟平台用于结构地震灾变过程的模拟与分析。方法：利用纤维单元模型的基本原理编制纤维梁柱单元模型，结合ABAQUS求解器建立纤维梁柱单元的实用模拟平台FENAP，并开发与平台相适应的钢和混凝土单轴材料库。其实现过程如下：（1）开发纤维梁柱单元模型。按照“先离散，后综合”的思想，通过结构、单元、截面、纤维和材料5个计算层次进行逐次离散，然后通过材料层次计算的纤维应力和切线模量结果原路返回求解结构的地震响应。结构的非线性计算可多次重复上述过程，最终得到结构的响应。（2）开发钢和混凝土材料本构模型。根据弹塑性力学基本原理开发包括理想弹塑性本构模型和双线性等向强化本构模型的钢材本构模型；根据 Yassin提出的混凝土损伤本构模型基本原理开发混凝土本构模型。（3）建立 FENAP模拟平台。通过与ABAQUS前处理模块相结合开发的FENAP/Fiber_BC Element，ABAQUS/Standard求解器以及与ABAQUS后处理模块相结合开发的 FENAP/Posts三部分组建完整的钢筋混凝土纤维梁柱单元实用FENAP模拟平台。结果：通过采用FENAP平台模拟分析钢圆形截面墩柱的滞回性能和钢筋混凝土矩形截面悬臂梁的滞回性能验证FENAP模拟平台的准确性及高效性。对钢圆形截面墩柱进行模拟分析可以看出：1FENAP计算得到结构层次上的钢圆形截面墩柱的墩顶力-位移关系曲线与Opensees所得结果基本一致，曲线吻合较好，满足精度要求。2FENAP平台计算过程中仅花费了53 s，且在每个单元中仅使用2个积分点就能够达到Opensees采用5个积分点得到的结果精度。对矩形截面悬臂梁进行模拟分析可以看出：（1）采用FENAP平台计算的结果与 Opensees相比，梁端力-位移和截面弯矩-曲率关系曲线均吻合较好，均具有较好的计算精度。在每级反复三次的加卸载过程中，FENAP平台能很好的描述构件的刚度退化、强度退化效应。（2）计算得到的混凝土纤维应力-应变关系曲线表明该平台能较好的模拟混凝土材料在受压和受拉方向的刚度退化及受拉刚化效应，可有效模拟混凝土在反复加载过程中的损伤行为。（3）FENAP平台在计算过程中仅耗费589 s。结论：本文建立了一种基于ABAQUS的钢筋混凝土精细化纤维梁柱单元的模拟平台 FENAP，该平台界面友好，方便实用，能有效模拟构件的刚度退化、强度退化等损伤效应以及轴力和弯矩的多维耦合效应等复杂非线性动力行为；在FENAP平台中建立了独立的单轴材料库，添加了多种材料本构模型，能模拟钢和混凝土材料的多种非线性行为，且设定了可扩展的材料库接口，方便后期添加更多的用户材料本构模型；FENAP平台可有效模拟桥梁构件的多种复杂非线性行为，且计算效率和求解精度高，为长大桥梁地震灾变过程模拟提供了一种实用分析手段。

来源出版物：工程力学, 2011, 28(4): 102-108，127

入选年份：2015

混凝土框架结构火灾连续倒塌数值分析模型

李易，陆新征，叶列平，等

摘要：目的：在运用有限元程序对钢筋混凝土结构及钢-混凝土组合结构体系进行弹塑性分析时，材料本构关系是决定结构体系的有限元模拟结果能否反映结构体系真实抗震反应的关键所在。钢材为各向同性的金属材料，国内外学者已经提出了各种成熟的本构关系，能够考虑钢材的弹性、弹塑性、强化、断裂以及包兴格效应等，并且得到了充分的试验验证，因此目前钢材的本构模型已经较为成熟。而混凝土材料本质上是一种混合材料，在拉、压方向上具有不同的力学性能，并且存在强化、软化、开裂以及损伤等复杂受力行为，精确的本构模型不易建立。因此需要调查研究通用有限元程序中的混凝土材料的本构关系，保证结构体系弹塑性分析结果的准确性。方法：详细介绍ABAQUS所提供的混凝土弥散开裂模型和塑性损伤模型两种材料本构模型的基础理论，然后结合已有的结构构件试验结果进行对比计算分析，重点关注于混凝土本构模型中的关键参数对于混凝土结构构件及组合结构构件滞回特性的影响，并指出分析实际结构构件时不同的混凝土材料模型的适用范围。结果：对于单调荷载作用下的受弯构件，采用弥散开裂模型和塑性损伤模型均能对混凝土构件或组合构件的宏观反应进行准确的模拟，且两者的计算结果比较接近。弥散开裂模型对于混凝土裂面行为的模拟较为准确，适用于分析混凝土开裂后应力-应变空间不断变化的受力情况，但混凝土的剪力传递系数需要进行仔细的调整，才能得到较为满意的结果。弥散开裂模型的滞回规则与混凝土材料的实际受力行为相差较大且不能进行调整，而塑性损伤模型的滞回规则较为符合实际。因此在相关参数设置合理的前提下，塑性损伤模型可用于混凝土结构或组合结构在往复荷载作用下的受力行为模拟，而弥散开裂模型只适用于结构在单调荷载作用下的力学行为分析。结论弥散开裂模型未考虑混凝土在承受拉-压双向应力状态时的受压“软化现象”，而塑性损伤模型虽然在一定程度已经考虑了二维拉-压软化效应，但与混凝土的实际行为仍然有较大差异。因此两种模型对混凝土的在二维或三维应力状态时的全过程受力行为无法准确的模拟，需要基于已有的成熟的混凝土多维本构理论模型以及ABAQUS提供的用户子程序进行二次开发。

来源出版物：工程力学, 2012, 29(4): 96-103

入选年份：2015

基于性能的钢筋混凝土框架结构地震易损性分析

吴巧云，朱宏平，樊剑

摘要：目的：钢筋混凝土建筑作为城市建筑的主体，估计这些建筑在地震中出现的各种破坏状态的分布概率，对地震防灾规划和地震灾害应急具有重要的价值。本文综合考虑地震动峰值加速度及阻尼比为5%的谱加速度，考虑近场及远场地震的不同性质，对一钢筋混凝土框架房屋进行地震易损性分析。方法：采用非线性静态分析（Pushover）进行性能水平的定义、采用非线性动态分析（IDA）得到结构的易损性曲线。首先，采用PKPM 软件设计一符合规范要求的钢筋混凝土框架结构模型；基于一阶模态的倒三角形侧向力分布形式对该结构进行Pushover分析，根据本文定义的极限破坏状态确定相应不同性能水平的量化指标限值。其次，采用美国PEER理论对该结构模型进行近、远场地震作用下的地震危险性分析；通过地震危险性分析得到性能估计中需要的两个地震动参数：结构的谱加速度对应的地震动密度、在期望的危险性水平下危险性曲线的对数斜率k，即可进行概率地震需求分析；分别选用阻尼比5%的结构基本周期对应的加速度谱值 Sa（T1，5%）及地面峰值加速度 PGA作为地震动强度参数（IM），选用顶点位移作为损伤参数（DM）进行增量动力分析（IDA）；采用矩估计方法，利用Matlab程序对IDA曲线的数据进行后处理编程，得到每一im水平下lnEDP的均值作为样本均值，记为，其方差作为样本方差，记为，则工程需求参数（EDP）在给定地震动强度IM＝im水平下超越某一值y的概率可用解析表达式求出，即为结构的地震易损性。结果：采用“中震”和“大震”的地震动参数来计算场地危险性曲线参数，对于近场地震需考虑近场因子的影响：k＝2.3814、k0＝0.00011463；远场地震：k＝2.3814、k0＝0.00043646。则近场及远场地震的危险性曲线的表达式分别为：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基于上述地震危险性分析对本文结构模型进行结构反应分析，可以看出，对于本文模型选取的20条近断层地震记录，以Sa（T1，5%）作为IM参数时，IDA曲线收敛性较好，而以PGA作为IM参数时IDA曲线存在较大的离散性。结构顶点位移在达到0.1 m之前，所需的近场地震和远场地震的加速度谱值基本相同。当结构顶点位移超过0.1 m之后，相同的谱加速度下，近场地震产生的结构顶点位移要大于远场地震产生的顶点位移，当Sa（T1，5%）为0.3 g时，无论是近场地震亦或是远场地震，结构的地震反应大都集中在顶点位移 0.07～0.17 m之间，即极限状态 LS1至极限状态 LS2之间，结构基本处于轻微破坏的状态，发生严重破坏和倒塌的概率很低，且远场地震的概率密度大于近场地震；当Sa（T1，5%）为0.6 g时，对于近场地震和远场地震，二者的结构地震反应主要集中在顶点位移0.15～0.3 m之间，即极限状态LS2至极限状态LS3之间，结构发生中等破坏的概率最高，发生严重破坏的概率次之，发生倒塌的概率要比基本完好的概率大，且近场和远场地震的概率密度差异不是很明显。从结构的地震易损性分析可以看出，随着结构从基本完好发展到倒塌状态，结构的易损性曲线逐渐变的扁平，即超越概率变的越来越小。采用不同的IM参数对结构地震易损性曲线的形状影响较大。采用PGA作为IM参数时，结构在不同性能水平下的超越概率总体上大于采用Sa（T1，5%）作为IM参数时的超越概率。远场地震作用下结构在不同性能水平下的超越概率总体上小于近场地震作用下的超越概率，且随着结构从基本完好直至倒塌的过程二者之间的超越概率差值减小。结论：基于结构的地震易损性曲线，可以给出该类结构在给定地震作用下结构破坏概率，为地震灾害损失评估提供依据。IM参数的选择对结构的抗震性能评估有很大影响，为确保IM的有效性，应选用 IDA曲线差异较小时的分析结果进行概率地震需求分析。远场地震作用下结构在不同性能水平下的超越概率总体上小于近场地震作用下的超越概率，且随着结构从基本完好直至倒塌的过程二者之间的超越概率差值减小，这说明在结构发生中等破坏之后将不易受地震波特性的影响。

来源出版物：工程力学, 2012, 29(9): 117-124

入选年份：2015

ABAQUS中混凝土本构模型用于模拟结构静力行为的比较研究

聂建国，王宇航

摘要：目的：在运用有限元程序对钢筋混凝土结构及钢-混凝土组合结构体系进行弹塑性分析时，材料本构关系是决定结构体系的有限元模拟结果能否反映结构体系真实抗震反应的关键所在。钢材为各向同性的金属材料，国内外学者已经提出了各种成熟的本构关系，能够考虑钢材的弹性、弹塑性、强化、断裂以及包兴格效应等，并且得到了充分的试验验证，因此目前钢材的本构模型已经较为成熟。而混凝土材料本质上是一种混合材料，在拉、压方向上具有不同的力学性能，并且存在强化、软化、开裂以及损伤等复杂受力行为，精确的本构模型不易建立。因此需要调查研究通用有限元程序中的混凝土材料的本构关系，保证结构体系弹塑性分析结果的准确性。方法：详细介绍ABAQUS所提供的混凝土弥散开裂模型和塑性损伤模型两种材料本构模型的基础理论，然后结合已有的结构构件试验结果进行对比计算分析，重点关注于混凝土本构模型中的关键参数对于混凝土结构构件及组合结构构件滞回特性的影响，并指出分析实际结构构件时不同的混凝土材料模型的适用范围。结果：对于单调荷载作用下的受弯构件，采用弥散开裂模型和塑性损伤模型均能对混凝土构件或组合构件的宏观反应进行准确的模拟，且两者的计算结果比较接近。弥散开裂模型对于混凝土裂面行为的模拟较为准确，适用于分析混凝土开裂后应力-应变空间不断变化的受力情况，但混凝土的剪力传递系数需要进行仔细的调整，才能得到较为满意的结果。弥散开裂模型的滞回规则与混凝土材料的实际受力行为相差较大且不能进行调整，而塑性损伤模型的滞回规则较为符合实际。因此在相关参数设置合理的前提下，塑性损伤模型可用于混凝土结构或组合结构在往复荷载作用下的受力行为模拟，而弥散开裂模型只适用于结构在单调荷载作用下的力学行为分析。结论：弥散开裂模型未考虑混凝土在承受拉-压双向应力状态时的受压“软化现象”，而塑性损伤模型虽然在一定程度已经考虑了二维拉-压软化效应，但与混凝土的实际行为仍然有较大差异。因此两种模型对混凝土的在二维或三维应力状态时的全过程受力行为无法准确的模拟，需要基于已有的成熟的混凝土多维本构理论模型以及ABAQUS提供的用户子程序进行二次开发。

来源出版物：工程力学, 2013, 30(4): 59-67，82

入选年份：2015

高强度钢材钢结构研究进展综述

施刚，班慧勇，石永久，等

摘要：目的：高强度结构钢材是指采用微合金化和热机械轧制技术生产出的具有高强度（强度等级≥460 MPa）、良好延性、韧性以及加工性能的结构钢材。国内外多个钢结构工程已经成功应用了高强度结构钢材，并且取得了良好的经济和社会效益。相比普通强度钢材，高强度钢材钢结构的受力性能发生了变化，但目前我国钢结构设计规范并没有相应的设计条文和设计方法。为深入理解高强度钢材钢结构在材料、构件、连接等层面的受力特征，完善现行设计规范和设计理论，并进一步促进高强度钢材在我国的工程应用，本文全面综述了国内外的相关研究进展和成果。方法：目前针对高强度钢材钢结构的研究主要以试验研究为主，具体研究对象集中在高强度钢材材料的基本力学性能、构件的截面残余应力分布、受压构件、受弯构件以及连接节点的受力性能。材料力学性能试验研究包括常温下的标准拉伸试验、低温下的拉伸试验和断裂韧性试验以及夏比冲击试验、高周疲劳试验和低周往复荷载试验；构件截面的残余应力试验主要采用分割法，研究对象以焊接截面为主，包括焊接工字形、箱形以及十字形截面，也有少量研究涵盖热轧截面；受压构件的试验研究包括整体稳定性能试验、局部稳定性能试验以及压弯构件的滞回性能试验；受弯构件试验研究包括简支梁四点弯静力试验和悬臂梁的滞回试验；连接节点试验研究包括焊缝连接、螺栓连接以及梁柱连接节点的静力试验。结果：试验结果表明，国产Q460高强度钢材的屈强比一般在0.78左右，断后伸长率通常在 25%左右甚至更高；690 MPa以上高强钢的屈强比一般在0.90～0.95范围内，断后伸长率有所降低。试验所研究的国产Q460C高强度钢材的冲击韧性远高于普通强度钢材的一般指标。同时，基于试验结果，拟合了高强钢的 S-N疲劳曲线以及循环本构模型参数。高强钢焊接残余应力分布与普通强度钢材无明显区别，焊缝处最大残余拉应力通常小于钢材屈服强度，残余压应力与截面尺寸相关。现有规范针对受压构件的整体稳定承载力计算和板件宽厚比限值对于高强钢均较保守，基于相关的试验研究，针对受压构件和受弯构件提出了建议的计算公式。提出了高强钢焊缝连接节点的 S-N曲线和循环本构模型，并给出了螺栓连接承压强度计算公式以及抗滑移摩擦系数取值。结论：高强度钢材钢结构在受力性能方面普遍具有更显著的优势：（1）国产高强度钢材特别是Q460钢材的各项力学性能满足我国规范的相关规定，具有良好的塑性、韧性以及耗能能力；但规范的限值规定限制了更高强度结构钢材的应用；（2）高强度钢材截面的残余应力数值与钢材强度比值明显降低，有利于受压构件稳定性能的提高；（3）高强度钢材受压构件的整体稳定性能明显提高，应提高相应的设计柱子曲线类型；现有规范的短柱局部稳定设计公式不再适用于高强度钢材；高强钢柱的抗震滞回性能良好；受弯构件研究很少；（4）高强度钢材焊接连接节点的各项力学性能包括延性、韧性以及疲劳性能优良，满足规范要求；（5）高强度钢板螺栓连接的孔壁承压性能提高，抗滑移系数小于我国规范的规定。因此，高强度钢材钢结构受力性能具有新的特点，现行钢结构设计规范的很多条文不再适用于高强度钢材钢结构，不利于其优势的发挥，因此亟需对现行设计规范进行相应的完善和修订。

来源出版物：工程力学, 2013, 30(1): 42748

入选年份：2015

钢管再生混凝土长柱偏压性能研究

张向冈，陈宗平，王讲美，等

摘要：目的：随着土木工程领域的快速发展，为了满足现代工程结构向“建筑高度更高、结构跨度更大、承载荷载更重、并且更加节能环保”的发展需求，研究性能更加优越的现代型钢混凝土组合结构亟为必需，研究力学性能好和节能环保的钢管再生混凝土结构已经成为了时代发展的必然。为了揭示钢管再生混凝土长柱在偏心受压情况下的受力破坏机理及其影响因素，提出其合理设计方法，供科学研究和工程应用参考，本文对此进行了深入研究。方法：以再生粗骨料取代率、长细比为主要变化参数，设计和制作了10个圆钢管再生混凝土长柱试件和10个方钢管再生混凝土长柱试件，对他们进行不同偏心距作用下的静力单调加载试验。观察其受力破坏全过程及破坏形态，测试其截面不同位置的应力应变分布情况、不同柱高位置的应力应变分布，以及不同柱高的平面外挠度变化情况等，获取其轴向荷载-轴向变形全过程曲线，轴向荷载-跨中侧向挠度曲线，荷载-轴向应变曲线，以及荷载-环向应变曲线。得到了各试件的初始弹性刚度、峰值荷载、峰值挠度、位移延性、破坏全过程能量耗散能力等特征点参数。并详细分析了不同再生骨料取代率（γ＝0%，50%，100%）下各种方钢管和圆钢管再生混凝土长柱的力学性能指标；分析了各种长细比（λ＝31.3、38.3和 52.2）方钢管和圆钢管再生混凝土柱的受力破坏形态及其力学性能，分析了不同偏心距（e＝0 mm、15 mm、30 mm）下方钢管和圆钢管再生混凝土柱的力学性能指标变化规律。基于试验实测数据和影响因素分析结果，分别采用中国、美国、英国和日本等多个国家的相关设计规范方法[中国CECS28：99，DBJ 13-51—2003，DL/T 5085—1999；CECS159：2004，GJB4 142—2000，美国AISC-LRFD（1999），英国BS5400 （2005）和日本AIJ1997等]对方钢管和圆钢管再生混凝土长柱的偏心受压极限承载力进行了计算和对比分析，并提出其使用设计方法。结果：圆钢管再生混凝土和方钢管再生混凝土偏压长柱的受力破坏过程和形态相似，均经历了弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段，破坏形态均表现为弹塑性失稳破坏。再生混凝土取代率的变化对圆钢管和方钢管再生混凝土偏压长柱的极限承载力影响不大，再生混凝土部分或全部取代普通混凝土，用于钢管混凝土结构之中是可行的。随着偏心距和长细比的增大，圆钢管和方钢管再生混凝土柱的极限承载力显著降低，工程设计时需要严格控制。通过理论分析发现采用DL/T5085—1999和 DBJ13-51—2003规范方法进行圆钢管再生混凝土长柱的设计比较合理，而方钢管再生混凝土长柱则是采用CECS 159：2004、D BJ13-51—2003规范方法更好。结论：圆钢管和方钢管再生混凝土长柱的承载能力和变形性能与普通的钢管混凝土长柱相似，依旧具有良好的力学性能；再生粗骨料取代率的变化对其力学性能影响不大；钢管再生混凝土柱可以应用于实际工程结构中，从节能环保的角度，建议优先采用全再生混凝土的钢管再生混凝土柱。

来源出版物：工程力学, 2013, 30(3): 331-340

入选年份：2015

二维自由振动的有限元线法自适应分析新进展

袁驷，王永亮，徐俊杰

摘要：目的：在结构工程领域中广泛存在的自由振动问题，都论：本文成功将基于EEP法的FEMOL自适应求解技术由二维线性问题推广至自由振动问题，形成了一套高效、稳定、通用、可靠的自适应求解算法，该算法对具有重频、复杂求解区域甚至具有奇异性的求解区域上的自由振动问题均可求解得到数值精确解。以本文自适应求解策略为基础，只要成功建立各类线性问题的 EEP超收敛算法，本法便可以进一步求解弹性力学平面问题、中厚扁壳、空间轴对称问题的自由振动等特征值问题。

来源出版物：工程力学, 2015, 31(1): 15-22

入选年份：2015

混凝土材料与结构破坏过程模拟分析

顾祥林，付武荣，汪小林，等

摘要：目的：基于离散单元法分别在细观和宏观尺度上建立力学模型对混凝土材料、混凝土构件及结构破坏过程进行计算机模拟分析。方法：在细观尺度上将混凝土材料视为粗骨料、水泥砂浆及界面层的组合体，建立了基于离散元法的混凝土材料二维细观力学模型。其中骨料形状为圆形或多边形，砂浆单元为Voronoi任意多边形。单元之间由弹簧组（法向弹簧和切向弹簧）连结。在材料没有发生破坏时，单元的变形由刚性单元之间的连接弹簧考虑。当细观单元之间连接弹簧破坏后，单元之间由连接关系转化为接触关系。在宏观尺度上将混凝土视为均质材料，建立了混凝土结构离散单元模型。该尺度模型中单元形状为立方体，且单元之间由虚拟的混凝土弹簧和钢筋弹簧连结。当相邻单元连接间的弹簧完全断裂后，考虑单元间的碰撞作用，并采用冲量计算模型描述该碰撞作用。结果：在材料层次，首先采用细观模型模拟了混凝土单轴受压和砂浆单轴受拉破坏过程。得到的混凝土受压应力-应变曲线及破坏形态，砂浆受拉破坏形态均与试验结果吻合较好；砂浆抗拉强度误差范围在4.3%～7.2%。进而分析了混凝土双轴受力破坏过程。其中试件在双向拉压荷载作用下的应力-应变曲线与单轴受压曲线类似，但峰值应变随应力比绝对值的增大而迅速减小，且两个受力方向的应变值和曲线曲率都较小。这可归因于混凝土在拉压状态下的破坏大多属于拉断破坏，塑性变形很小。由双向应力下混凝土强度的计算模拟结果可以看出，数值模拟得到的混凝土双向拉拉和双向拉压时的强度值基本上都在Kupfer提出的包络线附近。但双向压压时的计算模拟结果过高地估计了混凝土的强度。在构件层次，采用宏观模型对钢筋混凝土剪力墙的面外和面内受力性能进行了模拟分析。分别采用了规则单元和非规则单元两种划分方式进行计算，计算结果显示两种网格划分方式均能较好模拟剪力墙的面外受可以归结为常微分方程（ODE）或偏微分方程（PDE）特征值问题，对此类问题进行高效、可靠、精确的数值求解对力学研究和工程计算均具有重要的意义。自由振动问题往往具有挑战性，比如：存在重频、连续求解出若干阶频率及振型而不丢根漏根、非规则求解区域、具有奇异性、要求频率振型满足一定的精度，等等，这些都对自由振动问题的求解提出了更高更严的要求。有限元线法（FEMOL）是一种基于ODE求解的半解析、半离散方法。对于二维线性问题，本文第一作者及其课题组提出了一套 FEMOL后处理超收敛计算的单元能量投影（EEP）法；基于EEP超收敛解的优良特性，以其代替真解来估计FEMOL解的误差，形成了一套新型的自适应求解策略；该算法可生成一套优化的FEMOL网格，该网格上FEMOL解的误差按最大模严格满足事先给定误差限，使FEMOL由半解析方法变为完全解析、数值精确的方法。本文意在提出一种基于EEP法的二维自由振动问题FEMOL自适应求解方法，将业已成熟的线性问题自适应求解方法直接引入自由振动问题的求解，而无需单独建立自由振动问题的超收敛计算公式和自适应算法，从而构成一个统一、通用的特征值问题自适应求解算法。方法：本文研究的关键思路是在给定的FEMOL网格下，将自由振动问题等价为与之同解的线性问题，遂可合理引入二维FEMOL线性问题自适应技术和求解策略，最终实现了自适应求解技术由二维线性问题到自由振动问题的转化和推广；按照这一思路，文中成功建立了基于EEP法的二维自由振动问题自适应求解策略，归结为三步：（1）FEMOL解：在当前网格上（初始网格由用户提供），采用自行研发的新型自适应ODE特征值问题求解器（ODE Eigen-Solver）对自由振动问题进行常规FEMOL计算，得到常规FEMOL解，将该解回代到二维问题控制PDE的右端项中即可得到该网格下与原自由振动问题同解的线性问题；（2）超收敛解：对于得到的同解线性问题，计算当前网格上振型的 EEP超收敛解，同时按最大模计算全域上振型的误差；（3）网格细分：对误差按最大模不满足误差限的单元，用均差法对其细分，得到新网格，返回步骤1；如果所有单元均满足误差限，网格无需再细分，求解过程结束。结果：利用上述自适应求解策略，文中成功求解了方形固支薄膜、L-形固支薄膜、简支方板以及梯形悬臂板等典型的二维自由振动问题，不仅有效地克服了重频、奇异性等难题，而且对于任意阶频率和振型，均可求解得到满足精度要求的自振频率和按最大模度量满足用户事先给定误差限的振型；且求解中采用最少的单元数和最少的迭代步，即可得到一致收敛的解答；最终的解答中各个单元的最大误差大致相等、自动生成适应解答变化的非均匀网格，展现了算法的高效性。结弯性能，但规则单元划分方式难以描述剪力墙的受剪行为，利用 Voronoi任意多边形网格划分方式模拟效果较好。在结构层次，采用宏观模型模拟了局部爆炸荷载作用下钢筋混凝土框架-剪力墙结构的倒塌过程以及地震作用下高层钢筋混凝土框架-剪力墙结构的倒塌过程。数值计算结果和爆炸模拟试验及振动台试验结果吻合较好。结论：模拟计算结果表明，细观尺度上的二维离散单元模型可以用来很好地模拟混凝土的单轴受力破坏过程；在模拟双轴受力状态下混凝土的破坏时，拉压或拉拉情况下发生的是面内受拉破坏，因此模拟结果较好，而双轴受压时混凝土既可能发生面内劈裂破坏也可能发生面外劈裂破坏，由于二维模型只能模拟一个劈裂面的破坏，无法考虑面外破坏，所得模拟结果偏高，难以正确描述混凝土的双向受压性能。宏观尺度上的离散单元模型可以很好地模拟钢筋混凝土构件的破坏过程，但模拟结果对单元的形状有较大的依赖性；宏观模型也能够很好地模拟局部爆炸或地震作用下混凝土结构的倒塌过程，但计算效率有待于提高。

来源出版物：工程力学, 2015, 32(11): 42995

入选年份：2015

基于微观机制的钢结构节点延性断裂预测与裂后路径分析

王伟，廖芳芳，陈以一

摘要：目的：基于材料塑性损伤机制的微观力学模型能描述应力-应变场对材料内在微观结构特性的影响，从而能够作为具有明确物理意义的判据，实现对钢结构节点延性裂纹开展较为准确的预测。本文利用微观力学模型应力修正临界应变模型（SMCS）和空穴扩张模型（VGM）对方钢管柱-H形梁翼缘直接焊接节点在单调荷载作用下的断裂行为进行了预测，探索微观断裂判据在非连续变形模拟方面的应用。方法：对10个钢管柱-梁翼缘直接焊接节点试件在单调荷载作用下的试验进行高精度有限元分析，采用ABAQUS软件进行有限元建模时考虑了翼板与钢管壁之间焊缝的形状及尺寸对节点性能的影响。为提高精度，选取二次缩减积分实体单元C3D20R。对钢管弯角部位和平板部位根据材性试验结果采用不同的多线性材料模型，焊缝选用试验所得 E5015焊缝的材料模型，各材料模型均将真实应力-塑性应变曲线延伸至断裂点。有限元模型单元尺寸在节点区附近加密。分别利用SMCS和VGM判据预测节点的开裂位置和时刻并与试验结果进行比较。在ABAQUS软件平台上开发了基于显式动力分析的VUMAT用户子程序，分别引入SMCS和VGM微观断裂判据，采用与显式动力分析相匹配并具有足够计算精度的 C3D8I单元，用户子程序VUMAT用来定义材料的力学本构关系，可以被用户子程序定义材料计算点调用，可以使用和更新结果依赖状态变量，可以使用传入的任何场变量。在计算过程中满足 SMCS 和VGM微观断裂判据的材料点逐渐从模型中删除。对2个在不同位置发生断裂的钢管柱-H形梁翼缘直接焊接节点试件进行全过程路径跟踪分析。结果：以SMCS和VGM模型为断裂判据预测得到的10个钢管柱-H形梁翼缘直接焊接节点试件的断裂位置与试验断裂位置均一致，除个别试件外，其余试件预测断裂荷载和位移与试验结果比较接近，SMCS判据预测断裂荷载与试验结果相差－12%～8%，预测断裂位移与试验结果相差－22%～0，VGM判据预测断裂荷载与试验结果相差－3%～11%，预测断裂位移与试验结果相差－7%～33%。钢管柱-梁翼缘直接焊接节点试件分别以SMCS和VGM模型为断裂判据，用自编的VUMAT子程序可以得到开裂后的荷载位移曲线下降段，由子程序得到的开裂时刻和开裂位置与试验结果一致，但是以SMCS模型为断裂判据，开裂后裂缝很快沿翼板宽度方向扩展，形成贯通翼板宽度方向的裂缝；以VGM 模型为断裂判据，可以模拟出试件在开裂后的荷载位移曲线平直段和下降段，但试件最终的变形小于试验最终的端部位移，这可能是由于焊缝形状不规则造成划分的单元稍有扭曲，用C3D8I单元计算的单元应力会稍有误差，且焊缝没有做实际材性试验，采用的焊缝材性会与实际有所差别。但总体来说，以VGM模型为断裂判据模拟的裂后路径与试验结果相比有较好的吻合。结论：（1）相对于传统断裂力学方法，采用基于材料塑性损伤机制的微观断裂判据SMCS和VGM，并经过钢材断裂性能试验校准后，在预测钢结构节点延性断裂时具有较好的适用性。（2）基于微观断裂判据进行钢结构延性断裂预测时，需采用网格尺寸与材料特征长度接近的高精度有限元建模方法。但当某一方向应力应变梯度变化不大时，也可对该方向单元采用相对粗略的划分。（3）基于 ABAQUS平台的VUMAT子程序技术，并引入SMCS和VGM判据后，可以在一定程度上获得钢结构节点延性裂纹的开展过程及其后续非连续变形路径。该微观断裂判据及其模拟技术对于今后进行钢结构在极端荷载作用下的倒塌分析具有参考价值。

来源出版物：工程力学, 2014, 31(3): 101-108，115

入选年份：2016

编辑：张宁宁