单层球面网壳抗连续倒塌性能研究

该文结合单层球面网壳冗余度较低、稳定性问题突出等特点,提出了一种基于构件承载能力的敏感性评价指标,对采用不同网格布置形式的单层球面网壳进行了连续倒塌分析,明确了结构在极端雪荷载作用下的连续倒塌破坏模式以及敏感构件和关键构件的分布规律,分析了初始缺陷和压杆屈曲对构件敏感性的影响。分析结果表明:网格布置形式对单层球面网壳的抗连续倒塌性能以及破坏模式有很大影响,K8型网壳以及K8-联方型网壳在撤除敏感构件后均发生了整体倒塌破坏,而短程线型网壳的内力重分布能力较强,未发生连续倒塌破坏。增大关键构件的截面尺寸比增大敏感构件的截面尺寸更能有效提高单层球面网壳的抗连续倒塌性能。考虑初始缺陷后,构件重要性系数最多增大3.0倍,敏感构件的分布位置基本不变;而考虑压杆屈曲后,结构敏感构件的数量明显增加,重要性系数增大了1.2倍~5.6倍。     

基于损伤的单层球面网壳结构地震剩余承载力评估与优化分析

为准确模拟地震作用下杆件损伤对单层球面网壳结构剩余承载力的影响,该文基于"拟壳法"思想,推导了单层球面网壳结构最薄弱网格区域内杆件损伤与结构剩余承载力的关系式,建立了基于损伤的单层球面网壳结构地震剩余承载力评估模型,并以跨度80m的K8型单层球面网壳结构为例,开展了不同地震作用下单层球面网壳结构地震剩余承载力评估与优化研究。结果表明:建立的评估模型能够快速、准确评估薄弱网格区域处的杆件损伤对单层球面网壳结构地震剩余承载力的影响程度;应用该评估模型对单层球面网壳结构进行地震损伤优化,可明显提高结构的地震剩余承载力。     

单层球面网壳动力失效全过程试验研究

为了更加深入研究单层球面网壳的动力失效。结合一个K6型单层球面网壳振动台试验,设计出一套描述单层球面网壳强振倒塌全过程的测试方法,包括:冲击法测试结构自振特性、低频调幅加载评估损伤程度和基频简谐加载监测结构失效过程。结合数据测量结果,描绘出结构倒塌过程的变形时程,分析结构的基频、阻尼及振型,记录杆件进入塑性的顺序,探索结构损伤演化的规律及倒塌破坏的机理。最后考虑材料的损伤,进行有限元模拟,验证了模拟方法的正确性。     

冲击荷载下网壳结构的失效模式及其动力响应特性

为系统全面确定网壳结构的冲击失效模式, 通过大量的参数计算研究网壳结构(包括Kiewitt-8型球面网壳、短程线型球面网壳、肋环斜杆型球面网壳、柱壳)的冲击响应特性, 并以Kiewitt-8型单层球面网壳为例, 总结分析网壳结构冲击失效的4个典型算例, 详述各类失效模式下网壳结构冲击失效的全过程及其荷载作用、结构特征响应、能量传递与转化特点;然后依据不同冲击荷载下网壳的冲击失效特点, 定义了网壳结构的3类失效模式(结构局部凹陷、结构整体倒塌、结构冲切破坏)。为揭示网壳结构的冲击失效机理并提出防护建议做了基础性工作。     

单层球面网壳结构弹塑性稳定性能研究

有计划地针对六种实际尺寸的常用单层球面网壳结构,利用ANSYS软件及自编的前后处理程序进行了3200余例网壳双重非线性全过程分析。求得网壳的弹塑性极限承载力,系统地考察了初始缺陷和荷载不对称分布,支承条件等因素对单层球面网壳结构弹塑性稳定性能的影响,着重研究考虑材料非线性后网壳极限承载力的变化规律。通过这种大规模参数分析研究,较全面了解单层球面网壳结构的弹塑性稳定性能,为实际工程设计提供了理论依据和设计参考。     

荷载非对称分布下单层球壳的动力倒塌振动台试验研究

为验证荷载非对称分布下网壳结构的动力倒塌机理,对一个单层球面网壳缩尺模型进行了振动台试验。选用三条地震波对网壳结构的动力特性、弹塑性阶段的动力响应(位移、加速度和应变等)、倒塌阶段的破坏过程进行了研究。通过ANSYS/LS-DYNA,以显式动力分析方法为基础,模拟了荷载不对称分布下网壳结构的倒塌全过程,并进行了倒塌机理的分析。结果表明,当网壳受半跨荷载时,形成塌陷区域的节点位于荷载作用区内,中部主肋屈曲产生了较大的动力效应并导致结构荷载作用区内局部塌陷形成、扩大使结构最终倒塌。有限元分析结果与实测结果吻合较好,验证了数值计算方法的正确性。     

有限质点法阻尼构造问题的研究

有限质点法（FPM）是一种向量式的结构计算新方法,它通过质点的运动描述结构的行为。该方法本身是一个求解结构动力学问题的显示积分方法,但是一直以来有限质点法对阻尼问题的考虑存在不足。该文首先将介绍有限质点法的基本原理和现有阻尼形式,然后将基于Rayleigh方法提出两种适用于有限质点法的阻尼构造方法。通过单层网壳多点激励下的动力数值分析以及框架振动台试验两个实例进行讨论,验证了提出的阻尼构造方法的正确性。结果表明该文工作能改善原有阻尼构造形式的不足,且具有较高的精度,并能完善有限质点法的动力计算理论。     

一种球面网壳动力失效的联合预测方法

以地震作用下精细化有限元分析的单层球面网壳的动力失稳破坏模式为基础、结合细胞自动机(CA)方法,发展了一套单层网壳动力失稳破坏模式和失效荷载的联合预测方法。首先,对基础单层球面网壳进行了简谐荷载作用下全荷载域动力时程有限元分析(FEA),并时时提取各级动荷载幅值下所有节点的位移值及单元的应变能密度。之后,用建立的联合方法预测了其它同类网壳的动力失稳破坏模式及失效荷载,并与相应FEA计算结果进行了分析比较。结果表明,所提出的联合方法,在一定程度上能基于一个单层球面网壳的动力失稳破坏模式和失效荷载预测其它不同跨度、不同矢跨比、不同杆件截面尺寸的单层球面网壳的动力失稳破坏模式及失效荷载。因此,结合FEA数值模拟,实现了CA方法在单层球面网壳动力失稳破坏模式和失效荷载预测中的应用。     

外爆荷载下Kiewitt 8型单层球面网壳的动力响应

为研究Kiewitt 8型单层球面网壳在爆炸荷载下的动力响应,基于LS-DYNA建立了爆炸中考虑附属结构(檩托,檩条,铆钉和屋面板)影响的40 m单层球面网壳结构有限元模型。通过分析相同爆炸荷载下不同结构矢跨比,构件尺寸和材料属性等参数对结构响应的影响,得到了球面网壳的矢跨比、杆件截面、屋面板厚度及屋面活荷载等是影响结构动力响应的主要因素。在此基础上,通过讨论相同结构在不同爆炸作用下的结构破坏及倒塌情况,提出了单层球面网壳在外爆荷载下安全距离的计算方法,为更好地建立网壳结构的抗爆设计方法和安全评估理论提供了依据。     

冲击荷载下单层凯威特型球面网壳的防护方法及建议

避免结构在冲击荷载下出现整体倒塌为防护目标,对单层凯威特型球面网壳的抗冲击防护方法进行研究。应用有限元软件ANSYS LS/DYNA建立凯威特型单层球面网壳与圆柱形冲击物的模型,并展开大量参数分析工作。在此基础上,依据网壳结构的冲击失效规律及连续倒塌的特点,提出可供实际应用的冲击荷载下网壳结构的3种防护方法（轻屋面,整体加强法,临界位置加强法）;并分别对防护效果进行验证。然后综合考虑防护效果与结构成本,提出冲击荷载下网壳结构的防护建议。     

基于损伤演化的杆件断裂模拟方法及其应用

建立了钢材的弹塑性损伤本构模型,将其与有限单元法中分段纤维梁模型结合,实现了杆件不同位置损伤程度评估,根据评估结果实时修正杆件特性,建立了杆件断裂数值模拟方法。将所建立的杆件断裂模拟方法应用于单调递增荷载作用下的梁系结构和地震作用下的单层网壳结构,结果表明,所建立方法可有效地模拟杆件断裂;杆件断裂突然,与其相连的节点位移及杆件应变能突增,可能导致与其相连杆件破坏;强震作用下单层网壳结构可能发生杆件断裂,导致结构局部刚度降低,引起结构倒塌破坏。     

基于并行有限质点法的界面断裂-接触行为分析

界面断裂、摩擦接触等行为广泛存在于结构破坏、连续倒塌、上下部结构协同等实际工程的精细化分析中。有限质点法对于强非线性行为模拟的适应性以及并行计算能力的优势使其可以以较低的成本完成界面行为的细观模拟。该文提出了适用于有限质点法并行计算体系下的三角形界面单元,用于通用化地模拟界面之间的粘结、断裂、接触等界面作用行为。基于并行化的有限质点法计算框架,该文详述了并行化的作用对侦察,并介绍了基于等加速度的粘结作用、基于内聚力模型的断裂作用,以及基于罚函数法的接触作用这三种作用下的状态判据和作用力计算方法。依托于有限质点法通用计算平台FPM,通过模拟界面行为的数值算例的形式对此界面单元的计算效果进行了正确性和有效性验证。     

基于模糊综合判定的网壳结构强震失效模式研究

为合理判别单层网壳结构在强震下的两类失效模式,指导网壳工程在地震区的实践,该文采用考虑材料损伤累积的荷载域全程分析方法,对单层球面网壳和单层柱面网壳在动力荷载下(包括强震)的响应进行了系统的参数分析。简述了两类失效模式的结构表现及结构响应特征;引入模糊数学中的模糊综合判定理论,确定了网壳结构多项响应因素与模糊失效模式集合的关系,建立了基于模糊综合判定的网壳结构动力失效模式判别模型;通过分析表明:所建立的模型具有准确的判别效果,可对网壳结构在动力荷载下的失效模式进行判别。     

Schwedler网壳结构强震作用下的动力强度破坏研究

对Schwedler单层球面网壳结构进行了强震作用下的动力全过程分析,研究了结构的失效机理。对40m跨的Schwedler理想网壳结构和考虑初始缺陷的网壳结构进行了全过程动力时程分析,考查了此类型网壳结构的动力性能和破坏形式,采用一致缺陷模态法处理初始缺陷,分析了初始缺陷对Schwedler网壳结构动力性能的影响;对具有初始缺陷的网壳结构进行了参数影响分析,分别考查了地震作用、杆件截面和屋面荷载三种因素对结构动力性能的影响;将研究结果与其它球面网壳结构进行了比较,验证了文献[6]提出的理论框架的合理性和实用性。     

基于有限质点法的结构动力非线性行为分析

有限质点法是以向量力学为基础的崭新的结构分析方法,该文将其应用到结构动力非线性行为分析中。该方法将结构离散为质点群,采用牛顿定律描述质点的运动,通过对质点行为的模拟和分析计算结构行为。该文介绍了有限质点法的基本思想,提出了该方法分析结构“动”与“静”,“线性”与“非线性”问题的独特思路。以杆系结构为例,推导了该方法求解结构动力反应,及几何、材料非线性问题的基本公式。通过三个数值算例,验证了该方法在结构动力非线性行为分析中的正确性和适用性。有限质点法在处理动力非线性问题时无需迭代求解和特殊修正,与传统方法相比在结构复杂行为分析中有明显的优势。     

冲击荷载作用下单层网壳结构动力稳定性研究

针对冲击荷载不同于地震作用,而常规动力稳定性判定准则不适用问题,阐述求解冲击问题的基本理论及冲击荷载取值;据冲击荷载特性提出适合冲击碰撞问题的单层网壳结构动力稳定性判定准则;选K6型单层网壳结构模型,利用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA进行结构冲击作用下动力稳定性分析,通过大量算例,分析其在不同冲击物质量比及速度作用下全过程动力响应,结合动力响应模式获得冲击荷载作用下单层网壳动力失稳的临界能量区域,并从矢跨比、跨度、杆件截面三方面对结构进行参数分析。结果表明,基于网壳动力响应模式与冲击能量相结合方法对单层网壳进行动力稳定性判定合理;结构刚度越小,冲击作用下动力稳定性越差;加大主肋利于提高结构动力稳定性。     

小比例柱面网壳振动台试验及动力响应概率模型

针对单层网壳实验费用高、周期长及地震变异性大等问题,开展了一小比例单层柱网壳振动台试验模型试验,并基于该模型试验统计了考虑地震动变异性时单层柱面网壳的动力响应概率模型。参考孔洞胶接节点装配式单层球面网壳模型制作方法制作了一小比例单层柱面网壳模型;在此基础上,分别选用TAFT波、人工地震波和简谐波对该单层柱面网壳模型开展一系列振动台试验研究,包括弹性阶段的动力特性测试和弹塑性状态下的动力倒塌测试;立足于现场实测数据,基于通用有限元分析软件ABAQUS建模、并开展相应数值仿真分析,总结分析单层柱面网壳模型动力特性与破坏特征;基于40组动力实测数据研究地震变异性对单层柱面网壳动力特性的影响,并初步拟合出地震动变异性与该结构动力响应的概率模型。该研究对开展系列单层网壳振动台试验定性研究及空间网壳结构抗震规范的修订提供参考。     

协同工作条件下地基土对单层球面网壳结构动力性能的影响

针对大跨空间结构与地基土协同工作问题,基于修正的S-R(Sway-Rocking)模型,建立单层球面网壳屋盖-支承结构-地基土协同工作的整体有限元模型,分析协同工作条件下不同地基土对单层球面网壳结构自振特性及地震响应的影响。研究表明,协同工作条件下单层球面网壳结构的自振周期随着地基土的变软明显增大,屋盖结构竖向振型提前。在地震作用下,单层球面网壳屋盖的杆件轴力和网壳节点最大竖向加速度随着地基土变软而减小;网壳节点的最大水平位移随着地基土的变软而增大,而最大竖向位移呈现减小趋势。     

单双层球面扁网壳连续化方法非线性稳定理论临界荷载的确定

连续化方法是研究网壳结构稳定问题的一种重要途径,目前用连续化理论分析球面扁网壳的稳定问题还存在欠缺和不足。运用经典的壳体理论,将单层和双层球面扁网壳等代为实体薄壳并建立非线性稳定理论混合法基本方程,再用李兹法求出球面扁网壳上下临界荷载计算公式。通过参数分析,首次从1000多个算例中得出了正三角形网格单层和双层常用球面扁网壳临界荷载系数的精确解。与国内外现有文献的计算公式相比,结果更为完善和正确。即便在有限元技术日益成熟的今天,用连续化方法计算的网壳结构临界荷载仍然对工程设计有重要指导作用,也是有限元方法分析网壳稳定性的对比和补充。     

基于最大熵法的单层球面网壳在地震作用下的破坏模式预测

从数学与信息论中引入最大熵法概念,同时充分考虑了结构响应的随机性,通过结构最大位移概率密度函数来判断与预测结构的破坏模式.以跨度40m、50m、矢跨比1/5、1/7的K8型单层球面网壳结构为例,同时考虑几何非线性与材料非线性,对网壳结构进行了地震作用下破坏模式的分析.利用有限元方法计算得到的若干样本,通过最大熵原理建立了破坏最大位移概率密度函数与结构破坏模式的定量关系,进而合理选取两级地震动,通过这两级地震动下的最大位移概率密度函数最大峰值差来预测结构的破坏模式.