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【行业知识】结构进阶分析:你想知道的结构全过程倒塌模拟

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来源:微信公众号“广东省院结构安全顾问”

【行业知识】结构进阶分析:你想知道的结构全过程倒塌模拟

近几年,似乎每年都会有工程结构倒塌的事故,有些是因为自然灾害、有些则是施工不当、也有些是设计失误,亦或是违规改造等,这些都是我们所不愿意看到的,作为结构工程师,我们可能会比其他人更加关注这些事件,因为我们的任务就是要找到结构倒塌的机理,找出薄弱环节,从而采取办法使得结构具备良好的抗倒塌能力。我们先通过以下的小动画直观感受以下倒塌的过程:


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倒塌分析模拟属于结构高度非线性分析的一个分支,涉及到几何非线性、材料非线性,模拟的是结构在短时间内的动力学行为,目前求解的技术手段有传统有限单元法、离散单元法,解析动力学方程有隐式求解与显示求解两种途径。目前涉及到倒塌模拟的计算分析难度普遍较大,尤其是强非线性阶段时常会遇到数值收敛问题,进行参数调试需要一定经验,没关系,小编与你同在。

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接下来就由小编带领大家来一次倒塌分析的踩坑之旅吧。这是去年接到的一个任务,对某体育场进行后续拆除方案模拟分析,体育场屋盖是一个空间桁架结构,如下图所示。


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当时的现场大概是这样的:

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当时考虑了三种拆除方式:

1、屋面加载水箱压重

2、牵引拖拽

3、空中切割拆除杆件

目的就是把体育场整个屋盖安全放倒,最终委托方选择了空中切割拆除杆件的方案,如下图所示。

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于是后期的分析重点就放在了拆除构件这种方案上,本项目采用的是sap2000进行分析,前期的建模包括“单元建立”+“荷载施加”+“边界条件”+“分析工况”,下图是最终的分析模型。

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小编发现在sap2000的新版本中,加入了考虑倒塌“consider collapse”的功能,于是便开始了新功能初体验。由于拆除是一步一步进行,因此需要提前将每一步需要拆除的构件定义到一个组里,接着再进行工况设置,这里放上我的参数设置状态。由于倒塌全过程分析是一个动态过程,因此这里选择的是非线性动力分析,同时勾上了考虑P-Delta和大变形的选项。

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由于需要考虑到材料非线性,而本结构为纯钢结构,非常适合采用纤维铰进行弹塑性模拟,因此在sap2000中,采用了集中纤维铰Fiber-P-M2-M3来模拟材料非线性行为,程序自动根据构件截面进行纤维划分。

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至此,模型便可以提交计算分析了,接下来的工作就交给计算机吧!

当计算进入到强非线性阶段后,有可能出现数值求解收敛困难,甚至计算中断退出的情况,不过小编在这里总结了几个有效改善收敛的方法,也许可以帮助到大家。


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1、检查模型材料、荷载、边界、连接等设置是否正确。
   先确保模型本身没问题,再查其他的。
2、修改非线性分析参数设置

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3、适当增加结构阻尼不到万不得已,不建议使用

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4、对于需要考虑P-Delta和大变形,可适当增加单元的剖分数量,有效改善由于杆件屈曲带来的收敛困难问题。

    这个方法在使用过程中带来的效果非常明显,本项目在弦杆中间剖分了两个单元,如下图所示。


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终于到了检验成果的时刻,结构最后的倒塌形态如下图所示。
计算模拟

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现场作业

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最终该体育场于201911月底顺利安全拆倒,我们的计算模拟在切割到第15根杆件的时候,结构发生明显变形,随即倒塌;实际现场在拆除到第13根杆件的时候,结构进入倒塌状态,与计算模拟仅相差两步,非常接近的一次模拟仿真。上图看起来好像不够直观,我们通过视频动画来感受一下。
计算模拟动画

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现场作业动画

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本文仅作经验分享,欢迎感兴趣的小伙伴们进一步交流探讨。

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作者: ganggouren

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