发布时间 : 星期一 文章框架结构的连续性倒塌研究更新完毕开始阅读68211669ddccda38376baf0e
向)。本单元包括应力刚化和大变形的功能，在有限转动的大变形非线性分析 中，可以用一致切线刚度矩阵。
Shell63 的假设与限制：单元的面积不可为 0，通常单元连接号码不正确
就会造成该现象。单元的厚度为 0 或线性厚度变化至单元的四点时为 0 皆不 允许。横向热梯度在厚度方向假设为线性，在面上假设为双性。曲面壳结构 采用平面的壳单元，可产生良好的结果。但平面壳单元的翘曲弧度不要大于 15 。若弹性基座刚性输入，则每个节点都具有四分之一的量。剪切变形不包 含于此薄壳单元。
三角型单元口可定义为 K, L 两点重合。三角型单元中额外形状自动删 除，故薄膜刚性降为固定应变。大变形分析中若 KFYOPT(1)=1(薄膜刚性)， 单元则必须为三角形。
四点所构成的单元必须为一平面，然而仍然允许少量的非平面，但会造 成少许歪曲。适度的歪曲结果在输出时会有警告信息。若歪曲严重则会导致 严重错误，此时最好使用三角形单元。
图3.3 Shell 63弹性壳29
3.3 框架结构连续性倒塌分析在 ANSYS 中的实现 ANSYS 软件 [40]
是一套功能强大的有限元通用分析程序，具有强大的前
处理、求解和后处理能力，融结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声 场分析、压电分析以及多物理场的偶合分析与一体。目前广泛应用于航空航 天、汽车、船舶、土木、电子、机械等应用领域。ANSYS 把 CAD、CAE 技 术集成于一身，可以满足用户从设计、计算、制造全过程的使用要求。 在国外，Antonio F. Barbosa 教授运用 ANSYS 对的钢筋混凝土简支梁作
了三维非线性分析。他在混凝土建模中采用线弹性和理想弹塑性模型，破坏 准则则分别选用了 Von-mises 和 Drucker-Prager 模型，在钢筋单元的处理上分 别采用分离式和弥散式两种模型，成功模拟了混凝土梁在均布荷载作用下的 荷载—挠度曲线 [41]
。美国佛罗里达交通部结构研究中心在针对纤维布加固混
凝土柱试验的研究报告中，将试验结果与 ANSYS 分析的有限元结果进行比 较，也获得了满意的结果
[42]
。在国内，ANSYS 也已广泛应用于钢筋混凝土 结构的分析 [43][44]
。清华大学的江见鲸教授等利用 ANSYS 成功模拟分析了多 种复杂应力条件下的混凝土结构。
下面介绍在 ANSYS 中进行结构有限元分析的一般流程。
1.前处理
前处理是整个分析过程的开始阶段，其目的在于建立一个符合实际情况 的结构有限单元模型，一般分为以下几个操作环节： （1）定义单元以及材料类型
首先需要选择 ANSYS 的计算模块，本文的研究主要集中在结构分析领
域，所以选择 ANSYS/STRUCTURE 模块。然后确立计算分析中的单位制为 SI，即国际单位制。因为采用生死单元法模拟柱的实效，所以在 PREP7 中， 生成所有单元，包括那些只有在以后载荷步中才激活的单元。在 PREP7 外不 能生成新的单元。而在本文的计算过程中，失效的单元在被“杀死”后即失 去所有力学性能，不再对整个结构贡献任何能量，“一死永逸”。在前处理器 中选择梁单元（Beam189）和板单元（Shell63）单元，确定相关实常数、材 料参数和结构尺寸数据。
（2）建立几何模型
建立几何模型就是建立一个与实际结构外形大致相同（相同程度视计算 精度，按照结构的简化原则而定）的几何图形元素的组合体。 （3）进行网格的划分
在几何模型上进行单元划分，形成有限单元网格（Mesh）。一般情况下，30 在 ANSYS 中划分有限元网格分为定义要划分形成的单元属性（属于何种单 元类型、实参数类型以及材料类型）、指定网格划分的密度、执行网格划分等 三个步骤。
（4）杀死单元模拟柱的失效
采用杀死结构单元来模拟构件失效，特介绍其功能与特性于下。 在 ANSYS 中,如果模型中加入(或删除)材料,模型中相应的单元就“存
在”(或消亡)。单元生死选项就用于在这种情况下杀死或重新激活选择的单 元。可以在大多数静态和非线性瞬态分析中使用单元生死功能 [45]
。要产生“单
元死”的效果，ANSYS 程序并不是将“杀死”的单元从模型中删除,而是将 其刚度(或传导,或其他分析特性) 矩阵乘以一个很小的因子[ESTIF] 。因子缺 省值为 1.0E-6，也可以赋为其他数值。死单元的单元载荷将为 0，从而不对 载荷向量生效。同样，死单元的质量、阻尼、比热和其他类似效果也设为 0 值。死单元的质量和能量将不包括在模型求解结果中。单元的应变在“杀死” 的同时也将设为 0。
根据第二章的分析方法中既定的假设，利用生死单元功能杀死失效的构
件，这样比直接将失效构件删除更为接近实际情况。失效的构件仍然在模型 中参与计算，仅仅是刚度做了修正，模型中的单元编号和节点编号不会发生 任何变化，计算结果处理起来也较为方便。 2.施加荷载、设置求解参数并求解 （1）施加荷载
整个结构施加式(2-9)所示荷载，以此模拟对结构物的影响。重力作为一 种惯性力，在模型上的加载是通过施加重力加速度来实现的。在 ANSYS 中 施加重力加速度时应该慎重、正确的确定加速度的方向。根据达朗泊原理， 施加重力作用，相当于在结构上施加惯性力，力的方向与加速度的方向相反， 但大小相等，故输入加速度是要输入正值来实现考虑重力的影响。 （2）定义边界及约束条件。
在上述有限单元模型上，引入结构的边界条件，自由度之间的耦合关系 以及其他的一些条件。
对有限元模型添加位移条件，即施加位移荷载(Displacement)。将柱端底 面的自由度完全约束。
在杀死单元后，不与任何激活的单元相连的节点将“漂移”，或具有浮动 的自由度数值。为了约束不被激活的自由度[D,CP 等]以减少要求解的方程的 数目，并防止出现位置错误，本文通过约束非激活自由度，删除非激活自由 度的节点载荷(也就是不与任意激活的单元相连的节点)。31 （3）设置求解参数进行求解
因为考虑几何非线性(大变形效应)，故选择 ANSYS/STRUCTURE 模块中 的 LARGE DISPLACEMENT TRANSIENT 非线性选项，为加强收敛，打开完 全 FULL 牛顿-拉普森选项和自适应下降功能。
在求解过程中，密切关注计算过程，把握计算状态，根据提示信息，及 时更正或修改参数。在单元生死中不能用多载荷步求解（LSWRITE），因为 不激活或重新激活的单元状态将不写入载荷步文件中。有多个载荷步的生死 单元分析应该用一系列的 SOLVE 命令(Main Menu>Solution>Current LS)来 做。 3.后处理
这一步骤对计算的结果数据进行可视化处理和相关分析，可以利用
ANSYS 的通用后处理器 POST1 和时间历程后处理器 POST26 完成。一般的 后处理包括如下的操作环节：
（1）进入后处理器并读入计算结果。
进行结果的后处理之前，需要先进入相应的后处理器。进入通用前处理 器之后，第一步就是把计算结果文件读入数据库。而当进入时间历程后处理 器时，结果文件会自动载入。
（2）进行后处理操作。
利用通用后处理器程序可以显示结构变形情况、各种物理量的等值线分
布图形等，对各种数据信息进行列表操作，并可动画显示各种量的变化过程。 利用时间历程后处理器可以绘制各种变量的时间历程变化曲线，或者一个变 量相对于另一个变量的变化曲线。 （3）输出后处理操作的结果。
后处理操作得到的一些图形或动画结果可以输出到文件，也可以被组织 成多媒体形式的分析报告。32 第四章 框架结构连续性倒塌分析
4.1 工程概况
某七层办公楼，采用内走道布置，其柱网尺寸为 6.6m×6.3m，走道宽为 2.4m。结构平面布置如图 4.1 所示，其中走道板厚 120mm，其他板厚 160mm； 框架梁、柱和楼板均为现浇，房屋内外隔墙均为轻质墙。柱截面尺寸 500 mm ×500mm，纵梁截面尺寸 250 mm×550mm，横梁截面尺寸 250 mm×400mm， 地下基础顶面至二楼的高度为 4.8m，二层以上层高 3.6m。
混凝土等级为：一、二层为 C35，三层以上为 C30。纵向受力钢筋均为 HRB400 级，箍筋为 HPB235 级。 恒/活荷载 [46]
：楼面恒载为 8.5 2
kN/m ，活载为 2.0 2
kN/m ，屋面恒载为 8.0 2
kN/m ，活载为 0.5 2
kN/m 。
地震信息：建筑场地土类型为Ⅱ类，抗震设防烈度为 7 度，设计基本地 震加速度值为 0.20g，设计地震分组为第一组。框架抗震等级为二级，周期折 减系数取 1.0。 风荷载信息 [46] ：基本风压 0
W ＝0.45
2
kN/m ，地面粗糙度为 C 类。 荷载组合：恒荷载分项系数 G
γ 为 1.2，活荷载分项系数 L
γ 为 1.4，活荷载
组合系数 L
ψ 为 0.7，风荷载分项系数 W
γ 为 1.4，风荷载组合系数 W
ψ
为 0.6，
水平地震荷载分项系数
EH
γ 为 1.3，竖向地震荷载分项系数 EV
γ 为 0.5。
图4.1 结构平面图33
PKPM 系列 CAD 软件是一套集建筑设计、结构设计、设备设计、工程 量统计和概预算报表等于一体的大型综合 CAD 系统。该系统装有先进的结 构分析软件包，容纳了国内最流行的各种计算方法。全部结构计算模块均按 我国最新的设计规范编制，全面反映了新规范要求的荷载效应组合，设计表 达式，抗震设计新概念要求的强柱弱梁、强剪弱弯、节点核心、罕遇地震以 及考虑扭转效应得震动偶联计算方面的内容。
图 4.2 为 PKPM 设计的框架结构首层梁极限抗弯能力包络图，图 4.3 为 梁截面设计剪力包络图。
图4.2 框架结构首层梁极限抗弯能力包络图，单位kN·m