多层砌体结构在地震中倒塌全过程数值模拟

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1、第卷增刊建筑结构年月多层砌体结构在地震中倒塌全过程数值模拟口许浒、余志祥、康翔杰、赵世春西南交通大学土木工程学院，成都抗震工程技术四川省重点实验室，成都摘要为了克服现有数值计算模型及算法在模拟多层砌体结构倒塌过程中存在的问题引人能够考虑脆性材料大变形及塑性损伤的简称本构模型模拟砌体材料用完全连续介质有限元法，采建立了一栋典型多层大开间砌体结构计算模型选取经典的波对其进行弹塑性时程分析基于显式动力，，积分及自动接触算法，再现了多层砌体结构在地水平震作用下从弹性到破坏，再到倒塌的全过程。通过与实际震一害的比较，验证了上述材料模型及数值算法模拟多层砌体结构倒塌破坏的有效性，针对

2、。此外同结构模型在不同烈度下的破坏形式，探讨了多层砌体结构在特大地震下的倒塌机理及模式，揭示了其因竖向承重构件失效而导致整体结构发生竖向倒塌的本质。最后分析了顶部水平位移、顶部竖向位移及层间位移角限值分别作为倒塌判定指标的适用性。关键词多层砌体结构；大开间；数值模拟；损伤模型；弹塑性时程分析倒塌模式；中图分类号：文献标识码：文章编号：。’，，，；，，：：；；；；；概述见不鲜，说明现阶段应用于多层砌体结构的抗倒多层砌体房屋是中国分布最广、数量最多的民用塌设计方法及构造措施仍不完善还有待继续研究。一建筑结构形式之。由于其成本低、施工快在今后抗倒塌研究应包括倒塌机理和倒塌模式的

3、研究，很长一段时间内仍会被广大经济不发达的地区所采传统的研究方法为通过实际震害对损伤破坏过程进用。但众所周知，砌体材料的抗剪、抗拉强度较低在行分析和推理对于巳发生严重倒塌破坏的结构这水平地震作用下极易发生破坏若再缺乏圈梁一、构造方法较为困难。采用整体结构模型试验通过振动柱及现浇楼板等有效拉结措施局部关键构件的破坏台或拟静力加载方式能够再现结构倒塌全过程，但该将容易引起整体结构的倒塌。长期以来、周，国内外学者方法存在成本高期长等缺点，不适宜大规模开展。对砌体结构的抗震性能以及相关设计方法进行了广因此国内外许多学者采用了数值模拟方法对砌体结泛的研究尤其是唐山地震后，我国学者提

4、出的构造措施法能够初步头现二水准抗震设防目标。然而在国家科技支撑计划资助项目。汶川地震中，多层砌体结构发生倒塌破坏的案例仍屡作者简介。许浒博士研究生，。第卷增刊许浒等多层砌体结构在地震中倒塌全过程数值模拟构的破坏及倒塌展开研究。根据材料特性砌体力，并考虑材料的压实。屈服面方程为：结构的数值模型主要包括将块体和砂浆分别单独考虑的分离式模型以及将块体和砂浆考虑为均质材料式中、、、为材料的强度参数的整体式模型。分离式模型能够较准确地获得结构为最大无量纲强度为无量纲压力，为细部的应力响应，明确块体和砂浆间的相对关系，但实际压力，为混凝土静态抗压强度’为无过多的自由度数量及边界非线

5、性将显著提高计算成量纲应变率为参考应变率￡为损伤度由等效塑，，本，从而限制了模型规模，因此更适于构件分析；整体性应变和塑性体积应变累、积得到；式模型则着重于把握分析对象的整体响应且计算成匕本较低更适于结构分析。本文即采用整体式连续介质有限元模型，基于显式动力积分法和其中：为效塑性应变增量、为塑性体积应变增简称损伤材料本构，再现了栋量为损伤系数。，为材料的最大拉多层砌体结构在不同烈度地震下的损伤及倒塌破坏况，实现了砌体结构在地震下的弹性开裂破坏倒自式⑵可以看出灘土材，时，料不能承受任何塑性应变。该模型的关系分为三个响躯时弹性区：当，材料处于线当；一种非连续介质的结构在地震作

6、用下的倒塌是、大变形的高度非线性问题其难点主要集中在对不连■始凝土内部的气泡开始破裂并开始产生破碎，混傾纹，但混凝土结构还没有完全破碎当大位移、大转动的描述。很多简化的宏观模型能够完甘士“‘成砌体结赃賴■制程分析如等效：°框架模型、框支模型及三弹簧模型无法模，但拟结构的分离一、下落和堆积等系列过程用这些，采扑模型计算得出的倒塌状态，往往是根据位移或耗能等十士：尺尺为混式中、、凝土材料常数“；广为混凝土空…、头际倒损伤指标定义的临界性能点，而并非结构的隙开始闭合时的界压力；为混凝土材料全隙、押你、丨曰描±站油：七右科要塌丨丨士正田命崎。针对砌体倒塌模拟的难点有学者尝试米用离

7、散全部一闭合时的临界压力与体应变。—兀法，（进仃解决但由于该右制方法在模搬杂二维结棚贿阶酬喊时还存二曰参照文，确定了模型模拟砌体时的相在一定难度且在最后获得的倒塌范围和堆积情况与实际存在较大差异关参数，并采用砌体材料的强度平均值作为计算参，因此该方法仍有待改善。此外，基于单元生死技术和接触非线性的连续介质有°限单模型模拟砌体材料参数表元法在砌体结构倒塌模拟研究中取得了一些初步成丨’一果——，但还存在些问题如不同构件间的接触设°置导致该部位的破坏情况与实际不符、单元生死技术与不恰当的材料破坏准则结合会导致过多单元失效議等。为了解