暴雨荷载作用下伞形膜结构动力响应的理论与试验研究

研究了伞形膜结构在暴雨荷载作用下的动力响应问题。通过研究雨滴谱、雨滴体积占有率、雨滴降落末速度等暴雨荷载的计算参数,建立了雨荷载计算模型。利用Ansys和Fluent有限元分析软件对伞形张拉膜结构在暴雨荷载作用下的动力响应进行分析,并得到其动力响应规律。进行了人工模拟暴雨荷载试验,模拟了三种不同强度的暴雨荷载对伞形膜结构的作用,并将试验所得结果与数值模拟结果进行了比较。研究结果表明,虽然极端暴雨不能使膜结构直接发生破坏,但暴雨荷载会使膜面产生松弛,松弛率最高达到11.0%,平均为8.14%,从而降低其失稳临界风速,而影响结构安全。研究结果为张拉膜的安全设计提供了相应的理论参考依据,丰富了膜结构设计、建造和维护理论。     

索膜结构风振气弹效应的风洞实验研究

提出一种可以考虑索膜结构与风荷载动力耦合作用的简化气弹力学模型方法。以该方法为理论基础,进行了多个鞍形索网和鞍形膜结构的缩尺模型风洞气弹实验。研究内容包括:1)通过对形状相同的刚性模型和弹性模型表面的脉动风压与结构响应观测,探讨了附加气动力对结构响应的影响;2)利用随机减量技术对实验数据进行处理,实现了对气动阻尼、附加质量等参数的识别;3)通过对大量试验数据分析,得到了附加质量和气动阻尼随来流风速、风向、结构刚度和结构振动模态的变化规律。实验结果表明:气动阻尼对结构振动的影响较为显著,特别是对结构的低阶模态,气动阻尼比可达到15%左右;附加质量对结构振动的影响较小,其量级仅为结构质量的1倍―2倍左右。该试验过程中未发现结构出现整体气弹失稳现象,但在某些工况下,在结构局部测点出现气动负阻尼。     

移动随机荷载作用下桥梁振动分析

为了研究移动随机荷载作用下桥梁的振动问题,首先利用虚拟激励法将随机荷载转化为确定性的简谐荷载,推导了桥梁的非平稳随机响应,包括演变功率谱和时变标准差;再将精细积分法扩展到求解移动简谐荷载作用下结构的动力方程,提出了协调分解过程来模拟荷载的连续移动.在数值算例中,研究了单跨及多跨桥梁的基本随机振动特性;讨论了桥梁模态之间的相关性和荷载之间的相关性对桥梁响应的影响.     

边界元法在膜结构与风耦合研究中的应用

膜结构是一种风敏感性结构,结构与风的耦合作用不容忽视。本文将膜结构所处的风场简化为不可压缩势流,运用边界元法求解绕流后作用在膜结构上的风压,然后计算在风压作用下膜结构产生的变形,修正膜结构形状,再次求解变形后膜结构周围流场及作用在其上的风压,这样依次迭代,直至得到收敛的解。这种方法的有效性通过典型算例和其他方法计算结果的对比得到验证。变换膜结构的矢跨比、初始预张力及风场平均风速,研究参数变化对流固耦合的影响,为膜结构抗风研究与工程实践提供参考。     

大空间柱面网壳结构在爆炸荷载下的动力响应

摘 要：通过应用LS-DYNA程序对柱面网壳结构室内爆炸的数值模拟实验,建立了大空间结构在爆炸作用下进行动力响应计算的合适模型。数值模拟计算结果与J.亨利奇公式结果吻合。通过提取结构表面有限测点的冲击波超压并将其POD分解,解决了冲击波荷载的时空差异性及结构表面压力场分布问题。采用Ritz-POD法对大空间单层柱面网壳结构在爆炸荷载下的动力响应进行了数值模拟计算,研究了结构矢跨比、结构高度、炸药TNT当量及爆炸点位置等参数变化对结构动力响应的影响。结果表明,计算模型适用于大空间结构的爆炸动力响应分析。大空间结构的最大位移和应力响应随炸药TNT当量的增加成非线性增大,应力响应成倍增大,位移响应成数倍增加。偏心爆炸冲击波比中心爆炸对大空间结构构件的损害大,对结构的边跨构件最为不利。对于应力控制设计的结构,应更注重支座附近和边跨结构的防爆能力。矢跨比大的结构防（抗）爆炸冲击波的能力较强。     

鞍形屋盖平均风压分布特性的数值模拟研究

基于Reynolds时均N?S方程和RSM模型对鞍形屋盖的平均风压分布进行了数值模拟,采用有限体积法对控制微分方程进行离散,并采用SIMPLE压力校正算法来实现非线性方程的迭代求解。数值模拟结果与风洞试验结果进行了对比分析,两者吻合较好,在此基础上系统研究了风向角、跨高比、矢跨比、地面粗糙度、风速等因素对屋面风压分布的影响,探讨了结构周围流场的绕流特性。最后根据屋面的结构形式及风压分布特点将鞍形屋面分成12个区,给出了不同风向角下的分区风载体型系数以供工程设计的参考。     

车辆荷载作用下的大跨旧桥动力可靠度分析研究

本文基于多自由度体系的随机过程分析的振型分解法,首先推导了结构动力可靠度分析相关参数的计算公式,据此采用Fortran程序设计语言,编制《PMDK动力可靠度分析程序》,其次采用无约束的规划求解方法,推导了车辆荷载概率分布模型的参数求解方法,并结合某大跨旧桥实际车辆分布具体观测数据,得到了本文计算的概率模型。最后运用《PMDK动力可靠度分析程序》计算了该桥在实际车辆荷载作用下的可靠度,研究了动力可靠度与位移之间的关系,以及不同截面位置的动力可靠度的变化规律,研究了阻尼和弹性模量变化对大跨旧桥动力可靠度的影响,研究了时间变化对其的影响、结构单侧及双侧可靠度的变化规律,并且通过蒙特卡罗法的分析,验证了上述结论的准确性。     

张力膜结构的找形分析

张力膜结构的形状不能随意选择,设计时首先要确定满足平衡条件和建筑要求的表面形状。本文根据大位移理论,得出了适合于张力膜结构的几何非线性有限元方程,给出了采用几何非线性有限元法确定张力膜结构的初始形状的方法,对预张应力的确定及找形问题的非线性方程求解收敛准则提出了建议。文中给出了几个找形算例,算例表明本文的找形方法是有效、正确的。     

人群荷载下楼盖结构随机振动分析方法与试验研究

在大跨楼盖结构振动舒适度分析中引入人群行走的随机性对揭示人群荷载下结构的随机振动特性和真实响应具有重要意义。围绕该问题,首先建立了基于社会力模型行走的随机人群步行荷载模拟方法,并结合蒙特卡罗法,提出了大跨楼盖时域随机振动分析方法。随后,考虑人群分布、步频、相位等因素的随机性,数值拟合了等效同步人数计算公式,建立了随机振动响应的等效确定性分析方法。最后,开展了楼盖结构模型动力试验,获得该楼盖模型的结构动力特性和随机振动响应,并与数值模拟结果进行对比分析。结果表明:随机模拟方法和等效确定性分析方法在各个工况下与楼盖结构模型动力试验的结果的平均误差分别为22.4%和21.50%。对比两种分析方法计算结果的误差,共振工况时随机模拟方法计算误差较对方要小,非共振工况时等效确定性分析方法计算误差则要小,实际工程分析可结合考虑。     

给定索矢跨比的张拉式膜结构协同形态分析

针对张拉式膜结构整体分析提出了新的求解方法.首先,推导了膜片中索初始预张力的公式;然后,根据现有的索膜非线性有限元找形理论和索杆体系找力方法,提出了用于整体结构协同分析的形态迭代求解法,并编制了相应的程序:最后通过一道算例验证了该文所述方法的正确性,并得到如下结论:按该方法得到的找形结果满足力平衡方程、相容方程和建筑师给定的支座边界条件;满足膜片中索的矢跨比的要求;膜面平衡态的主应力分布状态能够基本达到初始假设主应力分布状态;可以直接获得施工张拉索的理论控制值.     

带裂缝钢筋混凝土梁的非线性振动特征识别

对非线性Duffing系统进行数值仿真,用Hilbert-Huang变换时频分析得到其非线性动力特征,进而识别出系统的非线性项系数.通过对带裂缝的钢筋混凝土梁的脉冲锤击试验测得跨中加速度响应进行Hilbert-Huang变换分析,得出响应的瞬时频率与瞬时振幅的关系图,从而识别出梁的非线性动力特征.结果表明该梁的振动形式与Duffing系统的振动类型极为相似,为三次非线性振动.这一结果为通过梁的非线性动力特征来识别损伤提供了一定的依据.     

线性张力腿模型与非线性模型的比较研究

平台运动对张力腿的非线性动力响应具有显著的影响.提出了新的更加符合实际的边界条件,分别采用线性的 Euler-Bernoulli梁和非线性梁模型,分析了在不同的张力腿长度和平台激励条件下,线性张力腿模型与非线性模型在预测其动力响应时所得结果的差异.为了保证数值计算的正确性和可靠性,运用了两种不同的计算方法;Galerkin法,有限差分法进行数值求解.结果表明:非线性模型所得的张力腿流向响应幅值要比线性模型的小,且随着张力腿长度以及平台纵荡幅值的增加,非线性模型与线性模型的预测结果之间的差异会变得越来越显著.     

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。     

爆炸荷载作用下坑道结构振动响应及影响因素分析

根据爆炸荷载条件下的模型坑道试验,运用LS-DYNA显式动力分析软件,对试验中典型坑道段在顶爆和侧爆作用下的动力响应进行了数值模拟计算,研究了模型坑道结构在爆炸荷载下的最大振动加速度分布特征,并与试验结果进行了对比验证。结果表明,计算结果和实测结果基本吻合,能够真实反映爆炸荷载下坑道结构的振动响应。最后对不同单个影响坑道振动的截面形状参数进行了一系列数值计算,分析了在相同爆炸荷载下单个特定参数对坑道振动影响规律。     

随机车载激励的斜拉索非线性振动响应极值预测

为了预测随机车辆荷载作用下斜拉索非线性振动的响应极值,采用蒙特卡罗随机抽样法生成随机车流荷载,求解随机车流荷载在斜拉索梁端和塔端产生的位移;将索端车致位移作为斜拉索的外部激励输入,采用龙格-库塔数值方法求解斜拉索的非线性空间耦合振动响应;基于经典Rice公式极值预测理论,提出随机车载激励的斜拉索非线性振动响应极值预测方法。实际工程的应用结果表明：车辆荷载为斜拉索的梁端提供了较大的竖向和纵向位移激励,为塔端提供了较大的纵向位移激励,其对拉索的轴向和面内振动响应影响较大,对拉索的面外振动响应影响较小;斜拉索的车致振动响应极值随着车流密度和重现期的增大而增大;经典Rice公式对斜拉索车致振动响应界限跨阈次数的拟合效果很好,提出的斜拉索非线性振动响应极值预测方法有效可靠且在工程实践中应用方便。     

鞍形索网的风振响应特性研究

将风振响应分为平均响应、背景响应和共振响应三部分,其中背景响应采用影响线的方法计算,共振响应采用Ritz-POD法计算.将该方法应用于矢跨比为1/12的鞍形索网结构,通过同步测压试验确定风荷载,对其自振特性、风振响应谱特征、振型参与特性、振型间的耦合效应、以及各响应分量的分布规律进行了研究.结果表明:风振响应明显呈现多阶振型参与振动、且低阶振型贡献较大的特点;振型间的耦合效应较明显;脉动风响应明显大于平均风响应,共振响应占主导地位,背景响应所占比例较小.     

随机行人荷载下结构动力可靠度分析

基于概率密度演化理论(PDEM),提出一种通过动力可靠度对简支梁在随机行人荷载下的响应进行评估的方法。选取步频、步长、体重以及各行人的到达时间为随机变量,确定性结构动力响应由显式Newmark法计算给出,通过PDEM理论可以方便地计算出行人通过简支梁时任意时刻响应的概率信息,以及不同舒适度阈值水平下跨中加速度的动力可靠度。算例验证表明,简谐荷载下分布参数体系的概率密度演化分析结果与统计结果吻合良好。通过对单人以及多人荷载下响应随机演化过程的分析表明,行人荷载随机性对结构响应具有显著影响,建议利用动力可靠度对结构进行振动响应分析以及人致振动舒适度评价。     

海底多跨管道流-固-土多场耦合试验研究

为弥补现阶段缺乏多跨管道涡激振动试验研究的不足,综合考虑流-固-土多场耦合,创造性地设计了一套完整的拖曳水池试验系统,并开展了多跨管道涡激振动试验观测。该试验系统可实现海底管道结构自身属性、土体作用、来流速度和预张力等因素对多跨管道涡激振动影响的数据获取,可为后续多跨管道涡激振动的理论研究和数值模拟提供数据参考和验证。研究结果表明：该系统可精准模拟多跨管道复杂的涡激振动现象。该研究可为多跨管道跨间作用机理的试验研究提供新思路,同时为系统地研究多跨管道涡激振动提供试验装备支持。     

单自由度随机滞回系统的振动响应分析

在Bouc—Wen滞回模型的基础上，根据求解随机非线性结构动力学的二阶矩法，推导出求解由滞回环本身的随机性而引起的、单自由度随机滞回系统的响应的有效数值方法，得到了系统响应的均值和标准差。并采用Monte—Carlo数值模拟法对系统的响应进行模拟分析，其计算结果与数值模拟结果相基本吻合。从而解决了由滞回环本身的随机性引起的非线性振动系统的随机响应问题。     

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。