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关键词： 建筑结构   热力耦合   离散元法   有限元模拟  

摘要： 近些年来，随着土木工程技术的发展，建筑结构逐渐大型化和复杂化。同时，建筑火灾事故频发，易造成建筑结构的倒塌，给人民群众生命和财产安全造成巨大的损失。因此，为保证建筑结构设计的安全性，有必要进行结构抗火数值模拟研究。另一方面，离散元模拟方法将连续体分离为刚性元素及之间弹簧连接的集合，适用于求解结构断裂、倒塌等大变形和非线性问题，已广泛应用于土木工程数值模拟分析。已有结构抗火研究主要基于有限元理论，对于离散元理论在建筑结构热力耦合模拟中的研究较少。本文以梁构件为研究对象，基于离散元软件EDEM对构件进行热力耦合模拟，并与有限元软件OpenSees进行对比，验证模拟的可靠性;通过对EDEM中计算参数进行分析，研究各参数对计算效率和计算精度的影响。本文主要研究内容和结论如下：　　（1）基于OpenSees建立空间钢框架模型，添加新材料Steel001，并对火灾下连续倒塌试验进行模拟，验证OpenSees在进行热力耦合计算时的准确性。结果表明：有限元模拟结果与试验结果变化趋势基本吻合，相对误差在12%以内，可以用OpenSees的结果作为参照，验证离散元模拟的准确性。　　（2）利用试算法，对钢材的拉伸试验进行模拟，通过对比简化版的应力-应变曲线，确定离散元模拟中粘结刚度、粘结强度和粘结半径等粘结参数。研究表明：①随着粘结半径的增大，弹性模量和极限抗拉强度都会增大;②当粘结半径固定时，粘结强度主要体现在塑性阶段和破坏阶段，影响应力极值，对线弹性阶段计算弹性模量影响不大;③粘结刚度主要影响材料的弹性模量，粘结刚度越大弹性模量越大，但是到达应力峰值点的应变也会变小;④模拟钢材拉伸试验可以用于确定粘结参数，简化版的应力-应变曲线可以大大降低试算的工作量，并得到准确度较高的参数。　　（3）基于EDEM中的软球碰撞模型、Hertz-Mindlin模型（线性弹簧阻尼模型）、Hertz-Mindlinwithbonding模型和热传递模型，为接触力的计算公式引入温度变量，开发出了新的热力耦合接触模型，并进一步验证已标定的粘结参数和开发的热力耦合接触模型。研究结果表明：①EDEM可以用于建筑结构的模拟，离散元模拟结果与有限元模拟结果较为吻合，升温后模型的温度分布和竖向位移分布均具有较好的准确性;②开发的热力耦合接触模型可以用于建筑结构火灾模拟中，且具有较高的准确性;③提出的针对钢材拉伸试验的建模方法具有可行性，为EDEM确定材料的粘结参数提供了新的模拟路径。　　（4）考虑颗粒半径、计算时步、网格大小三个计算参数，分析不同参数耦合作用对计算效率和计算精度的影响。模拟结果表明：①颗粒半径的增大会使计算时长和计算精度减小。对于一个梁构件，当其颗粒半径能使颗粒总数保持在33000附近时，能同时兼顾计算效率和计算精度;②模拟中的时间步设置为推荐时间步的18%时，计算效率和计算精度均有较好的表现。模拟时长会随计算时步的增大而减小，但下降趋势并不明显。计算精度会随计算时步的增大而减小，当计算时步取为20%时，误差会有一个跃升;③网格大小对计算效率和计算精度的影响均不明显，模拟时长和模拟误差随网格的增大分别缓慢减小和增大。选取网格大小为三倍的颗粒半径可平衡精度和效率的要求。

关键词： 杆系颗粒离散元   网壳结构   抗冲击性能   多因素参数分析   PFC3D  

摘要： 近年来,山体滑坡、岩崩、滚石、泥石流等地质灾害频发,导致周边建筑遭受冲击作用的概率不断增加,对广泛应用的空间网壳结构产生极大的威胁。此外,传统有限元方法在分析空间结构的抗冲击过程中还存在一定局限性。针对上述问题,本文以杆系颗粒离散元理论为基础,使用离散元软件PFC3D建立了多参数化单层K6型球面网壳和六边形锥面网壳数值模型,以进行网壳结构的抗冲击性能研究。本文主要研究内容如下: (1)通过一悬臂钢梁的理论解、有限元解、离散元解对照分析,验证了平行粘结本构模型适用离散元杆系空间结构求解精度,并得到符合Q235钢材本构模型的平行粘结参数;同时,利用离散元分析软件PFC3D对应用平行粘结模型的K6型球面网壳结构抗冲击试验进行数值模拟,将离散元结果与已有试验结果进行对照。结果表明:当冲击物与结构发生碰撞时,采用赫兹模型能够精确模拟冲击物与网壳结构的接触行为,为后续网壳结构抗滚石冲击性能研究提供了技术支持。 (2)本文还通过离散元分析软件PFC3D,自编程建立了多参数化单层网壳结构数值模型(以六边形锥面网壳与单层K6型球面网壳为例),运用控制变量法分析了跨度、矢跨比、冲击速度、冲击位置、滚石形状、冲击入射角因素对网壳结构的抗冲击性能的影响。数值模拟结果表明:随着跨度、矢跨比、冲击速度增大,杆件内力增大,结构的动力响应增大;滚石形状影响着冲击物与冲击点的接触面积的大小,滚石越光滑,滚石与冲击点的接触面积越大,杆件内力越大,结构动力响应越强;改变冲击入射角和冲击位置的本质是改变冲击方向与冲击点切向方向的夹角,冲击方向与冲击点切线方向的夹角越大,杆件内力越大,结构动力响应越强。在理想状态下,当冲击方向与冲击点切向方向垂直时,杆件内力最大,结构动力响应最强。 (3)通过分析预测滚石冲击角度和冲击位置范围,合理调整结构设计参数。在满足结构使用功能条件下,使冲击方向与冲击点切线方向的夹角尽可能减小,可有效提高结构抗滚石冲击性能,对实际工程有一定借鉴意义。

关键词： 悬臂式挡墙   加筋土挡墙   承载机制   破坏模式   离散元  

摘要： 悬臂式挡墙和加筋土挡墙分别作为刚性挡墙和柔性挡墙的代表,在破坏模式和承载机制方面具有本质差异,但众多规范条文中在进行加筋土挡墙稳定性验算时将加筋体等同于刚性体,沿用了刚性挡墙的设计概念,忽略了加筋土挡墙与地基土间的相互作用。本文基于文献中的室内模型试验,利用颗粒流离散元软件建立了悬臂式挡墙和加筋土挡墙的离散元数值模型,从细观层面对竖向荷载下挡墙的力学特性和变形行为进行了研究。研究结果可以加深研究者对悬臂式挡墙和加筋土挡墙承载机制的理解,并对两种挡墙的设计提供理论支持。本论文的主要研究内容和结果包括: (1)对模型试验进行简要介绍,针对模型试验中的主要试验材料——土工格栅和填土,分别进行了离散元数值拉伸试验和离散元数值直剪试验,标定了土工格栅和填土的细观参数。 (2)基于得到的细观参数标定结果,建立了悬臂式挡墙和加筋土挡墙离散元数值模型,并对模型建立过程进行了详细描述。模拟结果显示悬臂式挡墙的破坏模式以水平滑移和倾覆为主,加筋土挡墙的破坏则以地基承载能力破坏为主。通过对比数值模拟和模型试验中挡墙的颗粒位移云图和颗粒旋转云图,对数值模型合理性进行验证。对比结果表明,建立的挡土结构离散元数值模型可以很好的对挡墙的运动学特性进行模拟。 (3)在完成数值模型验证的基础上,对悬臂式挡墙的位移情况、加固区与非加固区持力情况、力链分布情况和地基土中土压力分布情况进行了分析。结果发现:挡墙水平位移远大于竖向位移,挡墙沉降主要发生在加载前期;极限承载能力状态下,加固区持力占总荷载的26%,而在最终破坏状态下该比例为5%;荷载经由墙后填土作用在悬臂式挡墙墙体之上,随着竖向应变的增加挡墙发生倾斜,粗力链在墙趾处集中,荷载通过墙趾向斜下方传递并扩散,主要影响挡墙下方2L×H(L为悬臂长度;H为挡墙墙高)区域内地基土的应力状态;地基土中高应力区域位于墙趾下方,该区域竖向土压力与为加固区下方竖向土压力基本一致,由于挡墙倾斜,悬臂下方土压力较小。通过改变地基土压实度和悬臂长度发现:随着地基土压实度的增加,挡墙承载能力明显提升,但在破坏状态下挡墙的倾覆破坏也更为明显;随着悬臂长度的增加,挡墙承载能力逐渐增加,悬臂长度过短时,挡墙的倾覆破坏趋势较为明显。 (4)通过分析返包式土工格栅加筋土挡墙的变形情况、加筋区与未加筋区持力情况、力链分布情况和地基土土压力分布情况,对加筋土挡墙的承载机制和变形规律进行了总结。结果发现:变形过程中加筋体表现出较强的整体性,挡墙下方地基土发生剪切破坏,左侧地基土被挤出,明显高于原地基土表面;极限承载能力状态下加筋区持力占总荷载的50%,随着竖向应变的增加,这一比例基本保持稳定;加载过程中挡墙内部粗力链始终保持垂直,由于加筋体,特别是底层加筋层的变形协调作用,挡墙正下方L×H区域内的地基土中力链依旧保持垂直;地基土中高应力区位于挡墙正下方,该区域土压力明显高于未加筋区下方地基土土压力。通过改变地基土压实度和土工格栅长度发现:提高地基土压实度可以显著提高挡墙的承载能力,但同时挡墙破坏时的倾覆趋势也更为明显;筋材长度过短时挡墙破坏后承载能力会发生大幅下降,而筋材长度足够长时,继续增加筋材长度对挡墙的承载能力提升不明显。