柔性拦截结构中减压环动态力学性能试验研究

减压环是柔性拦截结构中的重要耗能部件,对结构的能量耗散及过载保护有着重要作用。该文分别开展GS-8002型单减压环和减压环组的拟静力拉伸试验、重物下落动力试验和足尺冲击试验。分析不同试验条件下减压环的变形和受力特征。试验表明:动荷载作用下,启动荷载增大,并联减压环组增幅最大;减压环的拉力曲线具有明显的脉冲特性,串联减压环组的脉冲效应更为突出,且靠近整体系统一侧的减压环变形较大,靠近固定端一侧的减压环变形较小,并联减压环组和单减压环的脉冲效应相近。提出考虑动力特性的减压环四折线力学模型,该模型能够较好的反映减压环的工作性能特点。基于该分析模型,给出不同试验工况下GS-8002型减压环性能指标的等代关系,便于实际工程中的设计与应用。     

减压环耗能性能的静力试验及动力有限元分析

摘 要：被动柔性防护系统中采用的减压环由钢管及铝管套筒组成,应用中将钢丝绳穿过钢管连接在防护系统的支撑绳及拉锚绳上,起到吸收能量和缓冲冲击荷载的作用。根据被动防护系统中减压环的工作状态,将减压环的受力形式简化为一端固定,另一端受荷载作用,并进行了静力试验和动力有限元分析。在较低的冲击荷载作用下,数值计算结果与试验结果较吻合,随着冲击荷载速度的增大,启动荷载逐渐增大,减压环耗能能力有一定的提高。另外,采用数值计算方法研究了减压环中的铝管套筒长度对耗能性能及启动荷载的影响。结果表明：减压环在动力荷载作用下的耗能能力开始增大比较明显,后期耗能能力无明显增大,而启动荷载随着套筒长度的增大先减小而后增大,当铝管套筒在合适长度范围内时,减压环在动力荷载作用下理想吸能效率与静力试验结果较接近。     

单层球壳结构在简单荷载作用下的动力稳定分析

首先建立单层球壳结构动力稳定判定准则,进而对K8型单层球壳结构在三种简单荷载作用下的动力稳定性进行分析。通过研究同等荷载下不同单层球壳模型的动力稳定性,从而得出其规律。     

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。     

单柱失效下结构连续倒塌的动力响应分析

该文提出了一种基于三折线结构抗力形式和升压平台形荷载函数的非线性单自由度模型,并推导了该模型的解析解,用于分析由单柱移除引起的连续倒塌过程中的结构瞬态动力响应。该模型可以涵盖各类抗力形式,包括抗力软化及大变形条件下的悬链作用,并考虑了柱子移除时间对动力响应的影响。钢筋混凝土和钢结构的梁柱子结构的动力试验结果与非线性单自由度模型计算所得到的动力响应结果（例如跨中位移）的对比表明:此模型可以准确地预测结构倒塌过程中结构的动力响应,计算速度快,准确性高,便于应用。     

K8型单层球面网壳爆炸动力响应的简化计算方法研究

根据哈密顿原理,基于拉格朗日方程提出了适用于简支梁和K8型单层球面网壳爆炸动力响应计算的理论分析模型。首先,利用该方法获得了简支梁在三角形爆炸荷载作用下的动力响应,其简支梁跨中的振动规律、峰值位移与速度以及系统的动能和内能等结果与有限元分析极为接近。继而将该方法推广到K8型单层球面网壳在三角形爆炸荷载作用下的动力响应计算,探讨了网壳杆件变形函数中广义位移参数数量和荷载峰值对响应结果的影响及规律。基于理论计算结果与LS-DYNA有限元分析的误差分析,对理论分析模型进行了改进,总结了该理论方法在网壳结构爆炸响应计算上的适用性。     

风雨耦合环境结构荷载与响应的分析及试验研究

采用理论分析及试验研究方法对风雨共同作用下的结构荷载与响应进行了研究。首先在确定风雨联合作用概率模型的基础上通过对降雨作用特性的分析,比较了雨滴冲击作用模型和空气密度等效变化模型对建筑结构等效静力的作用性能;其次,基于高精度风雨耦合荷载环境模拟试验设备,进行了风雨定常气动力荷载模型高频天平测力试验,研究了简单几何形体的风雨定常荷载变化规律;然后,采用二维悬挂系统测振试验方法,研究了风雨非定常气动力荷载模型及其结构振动响应特点;最后,对缆索承重桥梁拉索风雨激振现象进行耦合荷载环境参数精细化控制试验,揭示了拉索空间姿态、拉索动力特性、来流风速和不同雨强组合等条件对拉索风雨振的影响规律。     

偏心爆炸荷载下网壳结构的动力响应分析

利用ANSYS/LS-DYNA动力有限元软件平台建立了包含网壳杆件、檩托、檩条、铆钉、屋面板、墙体和地面在内的40m跨度精细化典型K8单层球面网壳结构有限元模型,采用流固耦合算法对结构在内部偏心爆炸荷载作用下的动力响应进行了有限元数值模拟研究,得到了网壳结构在偏心爆炸荷载作用下的四种响应模式：结构无损伤、构件塑性发展、网壳大变形、泄爆型破坏。获得了不同爆炸点位置、杆件截面、矢跨比、支承条件、屋面板厚度等参数条件下的结构动力响应结果,通过对比分析,总结了各参数对结构动力响应的影响程度与规律,为网壳抗爆防御设计提供了依据。     

水中桥塔波浪作用动力模型试验相似方法与模型设计方法

针对跨海桥梁桥塔结构波浪作用动力模型试验研究方法,通过分析水中结构动力模型试验相似原理,提出了桥塔结构动力模型试验的相似方法与模型设计方法。基于此,设计制作了一大型跨海斜拉桥桥塔结构的动力模型,并利用该试验模型进行了结构动力特性试验和波浪作用动力响应试验。动力特性试验结果表明:试验测得的结构主要自振频率与原型结构设计自振频率相接近,试验模型结构能较好地模拟原型结构自振特性。波浪作用下模型结构的基底受力和运动响应与原型结构相应的数值计算结果大致吻合。试验结果验证了提出的模型试验相似方法与模型设计方法的可行性,对跨海桥梁结构的水弹性模型试验研究具有应用和借鉴意义。     

剖分T型钢梁柱连接框架中柱空间节点抗震试验研究

为研究空间剖分T型钢半刚性梁柱连接节点的抗震性能,以钢框架中柱节点为研究对象,对2个空间剖分T型钢连接节点模型,2个平面剖分T型钢连接节点模型和1个空间刚性节点模型进行了以柱端为加载模式的空间拟静力试验。通过试验现象分析了不同节点变形特性、塑性发展及破坏模式;由试验数据分析了不同节点的强度、转动刚度、滞回特性、延性系数和耗能特性。研究了空间剖分T型钢连接节点与空间刚性节点和平面剖分T型钢连接节点的受力差异性。研究成果表明:空间半刚性节点在空间荷载作用下与平面半刚性节点在平面荷载作用下具有不同的受力特性。     

基于频率效应的超弹性形状记忆合金本构模型

超弹性形状记忆合金(SMA)的力学特性受荷载频率影响较大。在Lagoudas多线性一维本构模型基础上,仔细分析了SMA在不同频率荷载下的试验资料,提出应力-温度相图中四组相变应力直线的斜率随荷载频率变化以及最大残余应变与频率负相关的假定,建立了基于频率效应的SMA线性本构模型。对不同频率下SMA的应力-应变曲线进行数值模拟,表明该模型能较准确地模拟SMA在不同荷载频率下的滞回主环力学特性,但预测的子环与试验误差稍大。采用荷载频率为0.003Hz和0.08Hz时SMA本构模型,分别计算了SMA-弹簧-振子在不同频率正弦激励下的振动响应,表明SMA单元能够有效实现结构的被动控制,并在一定程度上反映了由于SMA模型不同而带来的控制效果的差异。     

柔性棚洞在落石冲击作用下的数值分析

由于试验测试手段的限制, 通过试验无法测试得到柔性棚洞在落石冲击作用下的各种动力响应及能量吸收特性, 为此开展了柔性棚洞在落石冲击作用下的数值模拟研究。基于试验结论、理论分析和合理假设的基础上, 建立了柔性棚洞的数值模型。为验证数值模型及数值计算方法的可靠性, 从落石冲击作用时间、环形网下降的位移、横向拉索和环向支撑绳上最大荷载、柔性棚洞的变形特征以及钢拱架应变时程曲线5个方面, 对数值计算结果和试验结果进行了对比研究, 结果表明:所采用的数值模型和数值计算方法能够较好地预测柔性棚洞在落石冲击作用下的各种动力响应特性, 为后续深入研究提供了可靠的方法。     

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。     

新型加筋土挡墙动变形特性试验研究

对加筋格宾挡墙、绿色加筋格宾挡墙以及柔性网面土工格栅加筋土挡墙三种新型加筋土结构进行室内试验研究,施加了五种频率、四种振幅的动变循环荷载。每种挡墙累积振动次数达到200万次,得出了影响加筋土挡墙动变形特性的因素及其显著性,以及三种新型挡墙在不同频率、不同振幅的动荷载作用下的侧向变形和竖向变形的发展和变化规律,并对分级卸载时的挡墙的变形特性也作了研究。三种新型的挡墙在试验荷载作用下动变形特性表现出了很大的共性。     

玻璃对单层索网动力响应的影响

为保证玻璃与与索网的协同变形,建立包含玻璃面板、索网、爪件、密封胶的有限元模型,真实反映了单层索网幕墙的传力途径;根据有限元模型,研究玻璃面板对单层索网静力性能和动力特性的影响;在此基础上,考虑索网幕墙周围建筑建立数值风洞,建立流固耦合模型,研究索网玻璃幕墙振动特性;以索网在平均风荷载作用下到达的新平衡位置为基准,采用频域方法计算单层索网风致动力响应。对比分析结果表明:风荷载作用下,索网幕墙主要做受迫振动,振动为窄带过程;玻璃面板有效降低了索网的平均位移和脉动响应。     

泡沫铝填充薄壁铝合金多胞构件与单胞构件吸能性能研究

为研究泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的吸能能力,该文基于有限元软件LS-DYNA建立了泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的数值仿真。对经典薄壁圆管试验及泡沫铝填充薄壁圆管试验进行了数值模拟,分析表明该数值模型能够较好的模拟泡沫铝填充薄壁圆管在轴向冲击过程中的撞击力和变形发展。基于该模型对比研究了不同因素下泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的轴向吸能特性,分析了其破坏模式、吸能机理和两者吸能效率。结果表明:在轴向冲击荷载作用下,泡沫铝填充薄壁铝合金的破坏模式为轴对称渐进折叠破坏模式,冲击力-位移曲线和变形模态图显示其变形过程分为3个阶段:弹性阶段、平台阶段和强化阶段。当冲击压缩距离为构件高度的80%时,7种不同参数下的泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构的吸能效率明显高于7种单胞结构,吸收的能量E和比吸能SEA都提高了50%以上,是一种优秀的吸能构件,可广泛应用于防护工程中。     

考虑材料非线性的RC冷却塔风致动力破坏研究

为明确RC冷却塔的风致动力破坏过程和极限脉动风荷载，采用ABAQUS对一代表性结构进行了计算。以分层壳单元模拟塔筒，分别采用塑性损伤模型和双折线模型模拟混凝土和钢筋的非线性本构，在对该塔规范静风极限承载力计算以及与既有弥散开裂模型结果对比的基础上，进行了试验脉动风荷载下的动力增量分析(IDA)，结合变形模式、位移IDA曲线、裂缝分布、应力发展、塑性和刚度演化等方面对塔筒的破坏过程进行了系统阐述，并与静风破坏过程进行了对比。结果表明：静风荷载下，塑性损伤模型所得结构开裂荷载与弥散开裂模型结果一致，但前者所得结构极限荷载略高，结构延性更好；静力和动力风荷载作用下的结果差异来自本构模型、荷载模式和动力效应；脉动风荷载作用下RC冷却塔的结构破坏依然源于迎风子午向受拉导致的塔筒开裂和钢筋屈服，但应更关注塔筒大范围开裂导致的结构刚度下降：动力风荷载作用下塔筒破坏(V0=57 m/s)时混凝土受拉开裂单元比例为63.13%，明显高于静风作用下的结果。     

基于修正Backlash滞环的磁流变减振器建模

针对磁流变减振器在半主动控制应用中的非线性建模问题,借鉴电磁学中描述磁滞现象的方法,引入动态Backlash like模型描述阻尼力-速度特性中的滞回现象,兼顾磁流变减振器在不同电流及不同频率时的动特性,利用Sigmoid函数修正Backlash滞环,并考虑磁流变液屈服后黏性及充气压力作用,并联一个弹簧-阻尼系统,从而提出一种修正Backlash滞环的参数化模型.在试验台架上对自制的磁流变减振器进行不同电流和频率下的动特性试验,用试验数据对模型参数进行辨识,并验证了该模型的预测性能,预测误差小于10%～15%.该模型结构简单,能较精确地描述和预测磁流变减振器动特性,具有良好的实用价值.     

重复荷载作用下土工格栅包生态袋加筋土挡墙动力特性试验研究

设计并制作了土工格栅包生态袋加筋土模型挡墙,测试了模型挡墙在不同幅值、不同频率重复交通荷载作用下的加速度、动土压力、累积变形和土工格栅拉应变,获得了挡墙在重复交通荷载作用下的动力特性和累积变形发展规律。研究表明：在交通重复荷载作用下,土工格栅包生态袋加筋挡墙顶层的加速度响应最大,沿墙高按指数模型衰减,且水平加速度衰减较竖向加速度快;挡墙内的动土压力也是在顶层最大,随墙高降低而减小;挡墙的变形和土工格栅拉应变增量在加载初期较大,随加载次数的增加而增大,受荷载幅值的影响明显,受频率变化的影响较小;竖向累积变形主要来自挡墙上部土体的沉降;水平累积变形总体上为上部大下部小。     

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。