长沙南站钢屋盖结构设计与分析

长沙南站是武广客运专线上的一个大型枢纽站,其A,B区上部大跨钢屋盖为曲面空间网格结构,局部采光顶屋面为张弦梁结构,网格厚度为3.6m;网格结构采用了多点支承,支承结构为钢管柱和多级分叉树形柱。为了满足建筑效果及节点承载力的需要,部分节点采用了铸钢节点,并对该类型节点进行了节点试验和有限元分析;工程通过风洞试验及风振分析解决了抗风问题,归纳了长沙南站屋面工程风荷载的分布规律。工程安装方案采用了改进版的分块吊装法施工,设计中用SAP2000软件进行了全过程的施工模拟分析,并比较了考虑施工模拟工况后对分析结果的影响。介绍了该复杂空间网壳结构的造型、布置、结构建模、节点设计、抗风计算、施工模拟和结构分析。     

基于系统状态方程的空间网格结构鲁棒性指标

提出了一种基于系统状态方程的空间网格结构鲁棒性指标,该指标主要结合现代控制理论中矩阵元素摄动的敏感性原理,将具有局部损伤网格结构的鲁棒性评判转化为系统矩阵特征值对矩阵元素摄动的敏感性分析.以正放四角锥网架结构为具体的分析对象,计算了单个杆件损伤情况下网格结构的鲁棒性指标,比较分析了不同杆件的损伤对结构鲁棒性的影响程度.进一步计算了单个杆件损伤情况下网格结构的剩余影响系数,并比较得到两种鲁棒性评价指标具有较吻合的评价结果,从而验证了本文所提出的鲁棒性指标的有效性.     

基于小波空间技术的大跨空间钢结构损伤定位

钢结构不可避免发生的缺陷、损伤和老化及施工中产生的工程事故都要求对损伤进行定位、定量的检测。小波空间分析技术的频域——空间域局部特性为大跨空间钢结构损伤定位提供了新的思路和方法。在环境荷载作用下,弦支穹顶结构仿真模型试验结果证实了该方法的准确性和可靠性,表明了该方法的简易性和实用性。     

基于小波空间技术的大跨空间钢结构损伤定位

钢结构不可避免发生的缺陷、损伤和老化及施工中产生的工程事故都要求对损伤进行定位、定量的检测.小波空间分析技术的频域--空间域局部特性为大跨空间钢结构损伤定位提供了新的思路和方法.在环境荷载作用下,弦支穹顶结构仿真模型试验结果证实了该方法的准确性和可靠性,表明了该方法的简易性和实用性.     

球外肋板加固焊接空心球节点的轴拉力学性能

由于锈损、火灾或地震损伤、荷载变化等因素,在役空间网格结构常会承载力不足,需要进行加固.针对空间网格结构中常用的焊接空心球节点,通过8个球外加肋试件的轴拉破坏试验和有限元参数化数值分析,研究了球外加肋对焊接空心球节点的加固效果,得出如下结论:1)轴拉作用下,焊接空心球、钢管与肋板连接处应力发展较快,最先达到屈服,而未加...     

空间网格结构连续性倒塌试验研究

为研究空间网格结构遭遇局部初始破坏后的结构响应、倒塌过程与倒塌机制,以单层球面网壳结构为研究对象,进行了1个直径为4.2m,矢跨比为1/7的凯威特型网壳结构整体模型的连续性倒塌试验。施加节点集中荷载,采用自主研发的杆件破断触发装置使网壳模型的1根经向杆件发生突然破断,并以采样频率100Hz采集网壳模型各位置杆件的高频动应变响应,基于高速摄像测量技术（帧频200fps）获取模型节点的高速动位移响应。初始破坏发生后,网壳模型呈现出自破坏局部向周围逐步扩展的连续性破坏,最终整个模型完全翻转并在一系列最外层杆件断裂后部分坠落。试验结果表明：尽管单层球面网壳结构杆件众多,但单根杆件的失效仍可能触发连锁反应,导致整体结构的连续性倒塌;单根杆件破坏后,局部内力重分布导致的杆端节点出现点失稳,并引发周围节点顺次向下运动,这也是单层球面网壳结构遭遇局部初始破坏后倒塌的主要模式。     

长跨桥动力响应和局部破坏的多级数值分析

提出了长跨桥的结构动力响应和局部破坏的多级数值分析方法。首次研究了长跨桥有限元模型的多级数值分析的策略。基于设计图纸拓展了Tsing Ma桥的多级数值模型以及对此模型的策略。提出了动力响应和局部破坏的多级数值分析过程,连接焊缝处的局部退化过程能够解释破坏的主要作用和对结构响应的非线性影响。基于ABAQUS软件和改进程序,通过便于大型土木建筑应用的用户界面,实现了多等级计算。在将该方法应用于Tsing Ma桥之前,计算程序的精度通过两个典型实例进行验证。基于安装在Tsing Ma桥上的结构健康监测系统所获得的在线监测数据,在正常荷载下,采用拓展模型和计算程序对Tsing Ma桥的整体动力响应和桥的纵向桁架中两个典型焊接细部的局部损伤累积进行了数值分析。累积损伤的最大值出现在上部焊缝的脚部和/或斜杆与节点板相交的下弦杆处。全连接计算所得的疲劳寿命小于非全连接时的疲劳寿命,这说明在用多级数值计算方法分析结构损伤时应该考虑损伤与结构响应间明显的交互作用。     

蜂窝网格型球面巨型网壳形体与力学性能研究

提出了一种新的结构形式——蜂窝网格型球面巨型网壳。分析了结构的几何构型,应用通用有限元软件ANSYS对结构的静力及稳定性能进行了数值计算与分析,讨论了矢跨比和大网格尺寸对结构内力、挠度和极限荷载的影响。结果表明:子结构的加入能极大提高结构整体刚度;结构顶部为失稳的薄弱部位,节点区稳定性较好;矢跨比的适宜取值范围为1/4~1/3,大网格尺寸宜为15~20m;结构的破坏一般由强度条件控制。     

螺栓球加工精度对网格结构受力性能的影响

以太原机场新航站楼屋盖钢结构为工程背景,对螺栓球节点的屋面网格结构在螺栓孔空间角度存在不同加工误差的情况采用管结构计算机辅助设计与制造系统软件STCAD进行分析,并将各种情况下结构杆件的轴力、剪力、弯矩及应力比进行对比,归纳出螺栓球加工误差对螺栓球节点网格结构的影响规律。     

虹桥综合交通枢纽结构连续倒塌分析研究

为减少局部构件破坏引起结构连续倒塌的可能性,对虹桥综合交通枢纽东交通广场B3结构单元进行了3个单柱失效和1个双柱失效情况下的结构连续倒塌分析。采用有限元程序LS-DYNA对结构进行非线性动力分析,构件破坏判断标准参考美国国防部规范UFC4-023-03的要求。研究结果表明：在不同位置单柱失效情况下,该框架结构发生了局部破坏,但破坏限制在去除构件周围的一定范围内;支撑的存在可改变破坏路径;在双柱失效情况下,结构破坏范围明显加大,但最终破坏仍限制在局部范围,不会造成整体结构的连续坍塌。     

An energy-based partial pushdown analysis procedure for assessment of disproportionate collapse potential

A disproportionate (or progressive) collapse is triggered by localized structural damage that propagates throughout a large portion of a structural system. The current guidelines issued by the US Department of Defense use the alternative path method to assess the vulnerability of a structural system to disproportionate collapse. In this method, the capability of a structure to sustain local damage is evaluated by notionally removing primary load-bearing elements and checking whether the local damage can be absorbed. The assessment can be performed using linear or nonlinear static structural models or a nonlinear dynamic model. Although nonlinear dynamic analysis gives the most accurate results, it is computationally intensive and requires considerable skill to implement properly. In this paper, the vulnerability of three steel frames to disproportionate collapse is assessed using an energy-based nonlinear static pushdown analysis. The predictions are sufficiently close to the results of a nonlinear dynamic time history analysis that the method would be useful for disproportionate collapse-resistant design of buildings with regular steel framing systems.     

爆炸荷载作用下钢框架结构连续倒塌分析

传统数值方法模拟建筑结构在爆炸荷载作用下的结构响应和连续倒塌时,具有计算模型复杂、计算量大的特点,实际应用价值不大。基于将爆炸荷载作用下结构响应分析分两步进行的数值模拟方法,利用非线性显式动力分析软件AUTODYN的Remap技术模拟爆炸波在空气中的传播过程,利用压强测点记录结构构件表面的爆炸压强时程曲线;建立结构精细化有限元模型,并将上一步记录的爆炸压强时程曲线施加于结构构件,利用LS-DYNA显式求解器分析结构在爆炸荷载作用下的动态响应和倒塌过程。将该方法应用于某钢框架结构在爆炸荷载作用下的动态响应和连续倒塌分析。结果表明：钢框架结构具有较好的抗爆性能,在发生1000kg TNT当量及以下规模的室外爆炸时,主体结构能够保证安全;在发生1500kgTNT当量及以上大规模爆炸时,发生次梁塌落等局部破坏,亦可能发生结构连续倒塌。     

The cost of satisfying design requirements on progressive collapse resistance – Investigation based on structural optimisation

This work is concerned with the explicit treatment of progressive collapse resistance within the structural design process. Progressive collapse resistance is associated with the damage tolerance of a structural system and controls the ability of the system to sustain local damage by absorbing the potential of triggering system collapse and suffering disproportionally large consequences. This work focuses on the design of elastoplastic steel frames. The measure of progressive collapse resistance employed is expressed as a ratio comparing the limit loads obtained with elastoplastic analyses of the intact structure and of an artificially damaged structure (‘damage’ is caused by the notional removal of a column from the intact structure). This measure is used to incorporate a constraint on progressive collapse resistance into a structural design optimisation formulation, which – in its classical form – takes only standard design code constraints into account and aims at minimising the structural cost. The developed optimisation approach is capable of producing cost-effective structural designs with acceptable system damage tolerance. By enforcing the satisfaction of the additional design requirement on progressive collapse resistance, structural cost is inevitably increased due to the need for extra material. This increase is quantitatively explored with the presented structural design optimisation approach.     

偶然事件下框架结构抗连续倒塌分析

戴高乐机场发生坍塌事故后，结构体系局部发生破坏后对整体结构的影响程度愈来愈受到结构工程师的关注。本文作者研究了偶然事件对框架结构的影响特点，分析了框架结构在偶然作用下的破坏规律，以此确定采用备用荷载路径方法和局部抵抗特殊偶然作用法分析框架结构抗连续倒塌能力的具体操作方法。     

民用建筑结构的抗爆设计方法研究

民用建筑结构使用多,人员活动聚集,易于成为恐怖爆炸袭击的目标。从阐述爆炸冲击波的特点出发,分析了爆炸冲击波对建筑结构损伤作用的机理;根据建筑结构的抗爆设计原则,提出建筑结构的抗爆设计目标可以划分为:基本目标(结构不发生连续倒塌)、优先目标(结构不因局部构件或结构损伤而发生整体破坏)和高级目标(控制或减少爆炸产生的次生杀伤性飞片)等3个层次。最后从普通民用和公共建筑结构两个方面,分别总结和提出了抗爆设计方法。     

火灾下大空间网架结构的抗倒塌分析方法

基于性能化防火设计方法和结构连续性倒塌设计方法,提出性能化抗倒塌分析方法,并通过开发相应的有限元程序模块(FireStru)连接具体的火场模拟结果,实现结构火灾反应计算过程。其中采用的非线性静力分析方法可以进行结构在局部构件破坏后的抗倒塌分析,并判断结构是否倒塌、是否局部倒塌或是否整体倒塌。最后,通过一具体的体育场馆结构进行验证,从而为其在火灾下的结构安全提供科学依据。     

网架结构荷载动力放大系数研究

对于结构连续性倒塌过程中的动力特性通常有两种考虑方式,一是直接采用动力的分析方法,二是通过荷载动力放大系数(DIF)将静力荷载进行放大,从而间接模拟结构的动力响应.本文首先对荷载动力放大系数的研究现状进行介绍,并给出了一种考虑初始状态的等效构件模拟方法.利用变换荷载路径法对一空间网架结构支撑柱突然失效,并通过线性静力和线性动力的计算比较,研究静力计算中荷载动力放大系数的取值问题.计算显示,在空间网架结构中,DIF取值为2.0是合适的.     

复杂高层钢结构抗连续倒塌能力分析关键技术研究

基于拆除构件法,通过显式动力有限元分析,对复杂高层钢结构待拆构件的选择、构件失效的模拟方法以及构件损伤评价标准的制定等关键技术进行了研究。结果表明：对于高层钢结构,竖向构件的敏感性可基本反映待拆构件的重要性,水平构件的敏感性可反映剩余结构发挥抗倒塌机制的储备大小。此外,还建立了基于美国性能化设计评估方法FEMA 356纤维模型的构件失效模拟方法,可使构件在动力响应过程中的失效破坏既满足FEMA 356构件变形极限又满足材料应变极限,同时还可依据FEMA 356中的构件性能水准与微观应变的对应关系评价剩余结构构件的损伤程度。运用该方法对案例工程钢结构的抗连续倒塌能力进行分析,结果表明：关键构件拆除后,结构未发生连续性倒塌,剩余结构能够形成有效的承载替代路径;大部分构件的塑性转角未达到IO水准,发生较大塑性变形的构件主要集中在替代路径的承载构件上。     

Blast and residual capacity analysis of reinforced concrete framed buildings

Iconic and public buildings have become a universal target of bomb attacks from terrorists. Most of these buildings have been or are built without consideration for their vulnerability to such events. Planning and building control authorities have begun to recognise the risks of these events and have introduced provisions in planning guidelines for mitigation of such impact. This paper is a study of the impact of near field explosions on the structural framing system and key elements such as columns and describes the component material response. This information can be used in planning strategies to mitigate potential catastrophic and progressive collapse of the structure. Reinforced concrete framed buildings have been selected for this study. A two stage finite element modelling (FEM) and analytical technique has been used to interrogate the structural framing system and components for global stability and local residual strength capacity in the linear elastic and non-linear plastic response regimes. The first stage involved linear time history analysis carried out using SAP 2000 to verify the response of the complete framing system and its ability to restore global frame stability and to enable iterative interrogations. An explicit rigorous analysis accounting for strain rate effects of the reinforced concrete elements was carried out in stage two using LS DYNA code to investigate the non-linear response of vulnerable elements identified in the first stage. The damage mechanisms and the extent of damage have been studied using principal stress plots along with plastic strain diagrams and used to assess the residual strength capacity of key elements that can cause catastrophic failure of large sections of the building and propagate progressive collapse. Numerical analysis is based on techniques that have been established in previous research work and the models have been calibrated with similar work by others. The method used in this research work can be used for assessing vulnerability, damage and residual strength capacity of building frames and component elements subjected to near field blast events.