摘要：地震、爆炸等荷載可能對建筑或建筑群造成嚴重損害，是結構防災設計的重要內容，高性能計算為研究建筑物在各種災害下的行為提供了有力工具。清華大學土木工程系開發了一系列的材料、構件和結構數值模型，并基于高性能并行計算和非線性分析，對倒塌、傾覆等結構極限狀態以及城市群震害損失進行了研究。為建筑和城市減災提供了有力工具。
關鍵詞：建筑結構，高性能仿真分析，有限元模型，連續倒塌，沖擊波，城市建筑群
1引言
隨著城市化進程的加快，城市建筑結構安全問題日益突出，特別是“911”事件發生后，工程界開始重視建筑結構在各種極限情況下的性能分析。尤其在地震、火災、爆炸、撞擊等自然和人為災害下，有必要進行結構的極限分析，以提高結構的防災減災能力。但是通常這類極限狀態試驗復雜并難以保證準確度，而且花費巨大、可重復性差。相比之下，仿真分析方法成本低且可重復性高，可以根據需要進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充，為設計施工提供有益的參考。
極限分析涉及各類復雜的非線性行為，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雜。清華大學土木工程系基于通用有限元軟件平臺，開發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]等結構和構件模型，能夠較好模擬建筑結構的極限狀態。本文以一些仿真實例，包括框架結構連續倒塌[3-4]、爆炸沖擊波破壞建筑結構[6]、以及城市建筑群的地震破壞等，介紹有關高性能計算在建筑防災方面的應用。
2材料模型和有限元單元
2.1 概述
長期以來，數值分析的精度和效率一直是一個難以調和的矛盾。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用。高性能計算為高精度模型的應用提供了有力支持，計算機時和計算機容量不再是瓶頸因素。由此，清華大學土木工程系開發了以微平面模型為代表的高精度材料本構模型和以分層殼、纖維梁為代表的高精度構件模型，將結構的微觀力學行為和宏觀力學行為直接聯系，從而能更好模擬各種復雜受力情況下的結構極限行為。
2.2混凝土微平面本構模型
混凝土的非線性行為非常復雜，簡單的彈塑性－斷裂本構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力應變關系，進而獲得宏觀的應力張量和應變張量。微平面模型雖然計算過程比較復雜（比一般彈塑性－斷裂本構模型消耗資源數十倍），但可以描述混凝土各類復雜非線性行為。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中的混凝土本構模型，以及相關實驗結果[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往復加載方面具有優勢，因而可以用于諸如剪力墻等復雜應力混凝土結構的分析計算中。
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力構件。由于剪力墻構件與梁、柱等細長構件相比，截面尺寸大，受力變形行為相對比較復雜，其非線性計算模型一直是工程研究中的一個熱點。清華大學土木工程系基于復合材料力學原理，提出分層殼剪力墻單元，可以描述鋼筋混凝土剪力墻面內彎剪共同作用效應和面外彎曲效應。
一個分層殼單元可以劃分成很多層，各層可以根據需要設置不同的厚度和材料性質（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變和曲率，然后根據各層材料之間滿足平截面假定，就可以由中心層應變和曲率得到各鋼筋和混凝土層的應變，進而由各層的材料本構方程可以得到各層相應的應力，并積分得到整個殼單元的內力。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、鋼筋的本構行為和剪力墻的非線性行為聯系起來，因而在描述實際剪力墻復雜非線性行為方面有著明顯的優勢。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果，可見與實驗結果[10]吻合良好，并可以用于復雜結構的計算。
2.4鋼筋混凝土桿系纖維模型程序
桿系構件是另一種常見結構構件類型。纖維模型是描述桿件復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，并用材料單軸應力應變關系來描述該纖維材料的受力特性，纖維間的變形協調則采用平截面假定。對于長細比較大的桿系結構，纖維模型具有以下優點：①可適用于各種截面形狀；②可以準確考慮軸力和(單向和雙向)彎矩的相互關系；③采用更加符合構件受力狀態的單軸本構關系。清華大學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應力鋼筋混凝土桿件的數值計算。程序采用的混凝土本構模型可以合理反映受壓混凝土的約束效應、循環往復荷載下的滯回行為（包括剛度和強度退化）
以及受拉混凝土的“受拉剛化效應”。其鋼筋本構考慮了鋼筋的Bauschinger效應，反映鋼筋單調加載時的屈服、硬化和軟化現象，可以分別模擬具有屈服平臺的普通鋼筋和拉壓不等強的沒有明顯屈服平臺的高強鋼筋或鋼絞線的通用模型，可以對往復荷載下的混凝土壓彎柱試件（S-10 、YW00 ）和預應力試件（實驗數據來源：文獻[12]和[13]）進行準確模擬。（見圖6~9）
3框架結構的連續倒塌
自“911”事件以來，連續倒塌災害引起廣泛關注。連續倒塌是由于意外事件（如煤氣爆炸、炸彈襲擊、車輛撞擊、火災等）造成結構的局部破壞，并引發連鎖反應導致破壞向結構的其它部分擴散，最終造成結構的大范圍坍塌。一般來說，如果結構的最終破壞狀態與初始破壞不成比例，即可稱之為連續倒塌[14]。我國規范目前尚未對抗連續倒塌設計方法給出明確規定，故很有必要開展建筑物抗連續倒塌的研究工作。進行建筑物抗連續倒塌研究，必須依賴高性能計算手段，通過進行拆除構件模擬，研究其局部破壞和整體破壞之間的關系。
