摘要：地震、爆炸等荷載可能對建筑或建筑群造成嚴(yán)重?fù)p害，是結(jié)構(gòu)防災(zāi)設(shè)計的重要內(nèi)容，高性能計算為研究建筑物在各種災(zāi)害下的行為提供了有力工具。清華大學(xué)土木工程系開發(fā)了一系列的材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，并基于高性能并行計算和非線性分析，對倒塌、傾覆等結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)以及城市群震害損失進(jìn)行了研究。為建筑和城市減災(zāi)提供了有力工具。
關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)，高性能仿真分析，有限元模型，連續(xù)倒塌，沖擊波，城市建筑群
1引言
隨著城市化進(jìn)程的加快，城市建筑結(jié)構(gòu)安全問題日益突出，特別是“911”事件發(fā)生后，工程界開始重視建筑結(jié)構(gòu)在各種極限情況下的性能分析。尤其在地震、火災(zāi)、爆炸、撞擊等自然和人為災(zāi)害下，有必要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的極限分析，以提高結(jié)構(gòu)的防災(zāi)減災(zāi)能力。但是通常這類極限狀態(tài)試驗復(fù)雜并難以保證準(zhǔn)確度，而且花費巨大、可重復(fù)性差。相比之下，仿真分析方法成本低且可重復(fù)性高，可以根據(jù)需要進(jìn)行模型的簡化以摒除次要因素的干擾，能夠作為原型試驗的有力補(bǔ)充，為設(shè)計施工提供有益的參考。
極限分析涉及各類復(fù)雜的非線性行為，包括材料非線性、幾何非線性，接觸非線性等，所以極限分析往往比較復(fù)雜。清華大學(xué)土木工程系基于通用有限元軟件平臺，開發(fā)了混凝土微平面模型等材料模型[1]、鋼筋混凝土分層殼單元[2]和鋼筋混凝土纖維梁單元[3-5]等結(jié)構(gòu)和構(gòu)件模型，能夠較好模擬建筑結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)。本文以一些仿真實例，包括框架結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌[3-4]、爆炸沖擊波破壞建筑結(jié)構(gòu)[6]、以及城市建筑群的地震破壞等，介紹有關(guān)高性能計算在建筑防災(zāi)方面的應(yīng)用。
2材料模型和有限元單元
2.1 概述
長期以來，數(shù)值分析的精度和效率一直是一個難以調(diào)和的矛盾。高精度的模型往往需要較多的計算時間和存儲空間，因而限制了它的廣泛應(yīng)用。高性能計算為高精度模型的應(yīng)用提供了有力支持，計算機(jī)時和計算機(jī)容量不再是瓶頸因素。由此，清華大學(xué)土木工程系開發(fā)了以微平面模型為代表的高精度材料本構(gòu)模型和以分層殼、纖維梁為代表的高精度構(gòu)件模型，將結(jié)構(gòu)的微觀力學(xué)行為和宏觀力學(xué)行為直接聯(lián)系，從而能更好模擬各種復(fù)雜受力情況下的結(jié)構(gòu)極限行為。
2.2混凝土微平面本構(gòu)模型
混凝土的非線性行為非常復(fù)雜，簡單的彈塑性－斷裂本構(gòu)模型難以描述混凝土的各種非線性行為特點。微平面模型[7]將材料內(nèi)部存在于骨料和水泥膠體之間的各方向的交界面作為定義為微平面，并將此作為直接研究對象，通過定義在這些微平面上的非線性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，進(jìn)而獲得宏觀的應(yīng)力張量和應(yīng)變張量。微平面模型雖然計算過程比較復(fù)雜（比一般彈塑性－斷裂本構(gòu)模型消耗資源數(shù)十倍），但可以描述混凝土各類復(fù)雜非線性行為。圖1~3所示為微平面模型和通用有限元分析軟件MSC. MARC和ABAQUS中的混凝土本構(gòu)模型，以及相關(guān)實驗結(jié)果[8]對比（MARC中的von Mises Plasticity、Drucker-Prager plasticity和Buyukozturk Concrete模型；ABAQUS中的Concrete smeared cracking和Concrete damaged plasticity模型），可見微平面模型在三向受力以及循環(huán)往復(fù)加載方面具有優(yōu)勢，因而可以用于諸如剪力墻等復(fù)雜應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的分析計算中。
2.3混凝土剪力墻分層殼模型
鋼筋混凝土剪力墻是目前高層建筑中的主要抗側(cè)力構(gòu)件。由于剪力墻構(gòu)件與梁、柱等細(xì)長構(gòu)件相比，截面尺寸大，受力變形行為相對比較復(fù)雜，其非線性計算模型一直是工程研究中的一個熱點。清華大學(xué)土木工程系基于復(fù)合材料力學(xué)原理，提出分層殼剪力墻單元，可以描述鋼筋混凝土剪力墻面內(nèi)彎剪共同作用效應(yīng)和面外彎曲效應(yīng)。
一個分層殼單元可以劃分成很多層，各層可以根據(jù)需要設(shè)置不同的厚度和材料性質(zhì)（混凝土，鋼筋）。在有限元計算過程中，首先得到殼單元中心層的應(yīng)變和曲率，然后根據(jù)各層材料之間滿足平截面假定，就可以由中心層應(yīng)變和曲率得到各鋼筋和混凝土層的應(yīng)變，進(jìn)而由各層的材料本構(gòu)方程可以得到各層相應(yīng)的應(yīng)力，并積分得到整個殼單元的內(nèi)力。由此可見，與已有的等效梁模型、等效桁架模型和多垂直桿元模型等剪力墻計算模型[9]相比，該單元可以直接將混凝土、鋼筋的本構(gòu)行為和剪力墻的非線性行為聯(lián)系起來，因而在描述實際剪力墻復(fù)雜非線性行為方面有著明顯的優(yōu)勢。而基于高性能計算，可以滿足采用分層殼增加的計算量。圖4、5所示為基于分層殼單元的剪力墻和計算結(jié)果，可見與實驗結(jié)果[10]吻合良好，并可以用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計算。
2.4鋼筋混凝土桿系纖維模型程序
桿系構(gòu)件是另一種常見結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型。纖維模型是描述桿件復(fù)雜受力行為的重要單元類型。纖維模型通過將桿件截面劃分成若干纖維，每個纖維均為單軸受力，并用材料單軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系來描述該纖維材料的受力特性，纖維間的變形協(xié)調(diào)則采用平截面假定。對于長細(xì)比較大的桿系結(jié)構(gòu)，纖維模型具有以下優(yōu)點：①可適用于各種截面形狀；②可以準(zhǔn)確考慮軸力和(單向和雙向)彎矩的相互關(guān)系；③采用更加符合構(gòu)件受力狀態(tài)的單軸本構(gòu)關(guān)系。清華大學(xué)土木工程系基于纖維模型原理，編制了THUFIBER錯誤！未找到引用源。和NAT-PPC錯誤！未找到引用源。程序，分別用于普通鋼筋混凝土桿件和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土桿件的數(shù)值計算。程序采用的混凝土本構(gòu)模型可以合理反映受壓混凝土的約束效應(yīng)、循環(huán)往復(fù)荷載下的滯回行為（包括剛度和強(qiáng)度退化）
以及受拉混凝土的“受拉剛化效應(yīng)”。其鋼筋本構(gòu)考慮了鋼筋的Bauschinger效應(yīng)，反映鋼筋單調(diào)加載時的屈服、硬化和軟化現(xiàn)象，可以分別模擬具有屈服平臺的普通鋼筋和拉壓不等強(qiáng)的沒有明顯屈服平臺的高強(qiáng)鋼筋或鋼絞線的通用模型，可以對往復(fù)荷載下的混凝土壓彎柱試件（S-10 、YW00 ）和預(yù)應(yīng)力試件（實驗數(shù)據(jù)來源：文獻(xiàn)[12]和[13]）進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。（見圖6~9）
3框架結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌
自“911”事件以來，連續(xù)倒塌災(zāi)害引起廣泛關(guān)注。連續(xù)倒塌是由于意外事件（如煤氣爆炸、炸彈襲擊、車輛撞擊、火災(zāi)等）造成結(jié)構(gòu)的局部破壞，并引發(fā)連鎖反應(yīng)導(dǎo)致破壞向結(jié)構(gòu)的其它部分?jǐn)U散，最終造成結(jié)構(gòu)的大范圍坍塌。一般來說，如果結(jié)構(gòu)的最終破壞狀態(tài)與初始破壞不成比例，即可稱之為連續(xù)倒塌[14]。我國規(guī)范目前尚未對抗連續(xù)倒塌設(shè)計方法給出明確規(guī)定，故很有必要開展建筑物抗連續(xù)倒塌的研究工作。進(jìn)行建筑物抗連續(xù)倒塌研究，必須依賴高性能計算手段，通過進(jìn)行拆除構(gòu)件模擬，研究其局部破壞和整體破壞之間的關(guān)系。
