ganggouren
本文转载自公众号小同人工作室
作者：K Gin
前天泉州的一栋钢框架宾馆发生倒塌，事故情况等待官方调查结果。成熟且负责任的做法，终归是等官方报告出来，不乱揣测、不乱传谣、不乱信谣、不乱造谣，愿受伤的同胞安好。
以前有位非本专业的前辈让Gin用一句话概括土木工程是做什么的，于是愣头愣脑地给了个掉书袋的定义“土木工程是研究外部荷载与内部抗力之间平衡哲学的应用科学”（此处应有微笑的表情）。三省吾身之后终于参悟了普及版的定义“一项土木工程，如同一副躯体，我们要做的事就是搭起一副能够支承的‘骨骼’”。
这里其实已经回答了标题中的疑问：敲掉家里的墙和柱，就是卸掉躯体里的骨骼，即使送你去月球，大概率也会垮掉。Gin的授业恩师曾教导道，“任何科学道理，都可以很简洁的形式呈现，如果繁冗复杂，终归是认知不到位、不深刻”。但这篇文案，除了力求简洁地闲聊散扯，也希望聊点从薄到厚的东西。因此，补充了些建筑倒塌的研究内容，并给出了Abaqus模拟三层钢框架去底层中柱的倒塌分析案例，包括单元失效、刚体约束、显式分析、接触控制等等。
一、学不知所起？
事物表象的背后，总受各种原因的支配。而研究倒塌的根本动力，始终将回归于广泛而深刻的现实需求。关于房子为什么会倒的问题，我们可以从内部和外部两个方面去思考：一方面，火灾、地震、恐怖袭击等，均为外部原因致使建筑倒塌，也都对应极惨痛的现实教训，如Ronan point公寓失火而倒塌、汶川地震造成大量房屋震塌、世贸大厦受撞击和火灾而倒塌等；另一方面，因设计不合理、施工不合格、管理不到位，就算无灾无难，倒塌也注定会成为一些房屋的宿命。
基于此，众多学者花费了大量的经济成本、智力成本和时间成本展开研究，web of science上搜一搜structural collapse，检索的论文能看好几年(避免刷引用的嫌疑，这里就不推荐文章啦)。什么拉结构件法、拆除构件法的分析方法，什么GSA、DoD的设计要求，所关注的、所要得到的，无非是结构在构件失效情况下的非线性力学过程与各阶段承载力的计算方法。这里的非线性包括材料非线性和几何非线性，二维平面的悬链线效应以及三维空间的薄膜效应是不容忽视的关键。
薄膜效应或悬链线效应在F-D曲线上应该有的样子
二、操千曲而后晓声
对于建筑倒塌机理的认知、理解和研究，建议学好英语、高分过六级，多看文献，打好数学和力学的功底，应花时间、不宜速成。但是，对于abaqus这种万金油般的存在，还是有些固定套路可供推敲。
首先，有图才能说个…
对于大变形、高度非线性的分析，隐式分析可以提前say bye。显式分析是将荷载以时程的形式施加于结构，直接积分获得结构响应。显式分析不存在收敛性的问题，但可能因拉格朗日网格过度扭曲导致分析中断或积分发散导致结果失真。 建筑倒塌的过程必定伴随着构件碰撞和材料失效，这要求我们必须定义接触性质和材料失效条件。对于前者，我们采用显式通用接触，hard contact模式，摩擦系数为0.2；对于后者，使用单元删除技术，钢材使用延性损伤模型。 需要补充说明的是，在建筑倒塌的过程中，构件虽然发生断裂，但并未消失，这是单元删除技术所不能模拟的。单元删除技术计算量相对较小，且结果相对准确，一般来说，可以被工程实际接受。如果要模拟构件断裂但单元仍未消失的情况，可以尝试xFem。 建筑倒塌时，将与地面将发生碰撞。我们把地面指定为刚体，定义参考点后，使用rigidbody constraint进行约束。
Submit job之后，你看，钢柱在倒塌过程中发生了弯扭屈曲。 你看，单元在倒塌过程中发生了接触和碰撞失效。 你看，这是废墟散落一地的样子。
三、写在后面
过年那几天，重新温习了一遍金老爷子的倚天屠龙。看到张无忌修炼乾坤大挪移的节段，心中再次殷然。如果不是九阳神功的玄关被冲开，如果不是参透了武学的通法与诀窍，不可能殊途同归、倏尔间七层功力一蹴而就，这多么像一次次山重水复后调通opensees或apdl命令的畅快心境，小说如此，有限元软件的学习亦是如此。案例虽小如麻雀，但对相似问题的规律和要点，也算覆盖到一些。
本文相对仓促，想哪写哪，文字略凌乱、知识梳理和介绍还是少了些，厚着脸皮请多包涵。一方面，年纪大了、熬不动夜；一方面，Gin的专攻仍是钢结构抗震。
南乡子.2020
掩卷且翻篇。一任繁华艳阳天，新绿渐稠花尽染。开颜。扶摇万里是炊烟。
往来尽酒酣。极目中流共江山，秦淮烟波为谁散。樽前，应许策马五百年。
——小同人随笔附赠
转自：钢结构-公众号
