静力荷载作用下基于敏感性的单层球壳冗余度分析方法研究

冗余特性是决定结构鲁棒性的重要因素,是损伤情况下结构安全性的体现。为合理评估单层球面网壳结构在静力荷载作用下的构件冗余度,本文以结构的应变对单元材料弹性模量的敏感性作为评价指标,综合考虑单元弹性模量的变化对结构的影响,给出了结构构件冗余度的评价方法。为验证方法的有效性,本文将其与利用结构极限承载能力的冗余度评价方法相比较。结果表明基于应变敏感性与利用极限承载能力分别计算的结构冗余度两者相一致。冗余度值的大小是结构单元重要性的衡量指标,冗余度值小的结构单元,其失效后将对结构整体性能产生重要影响,是结构的关键构件。     

基于改进应力变化率法的空间杆系结构鲁棒性分析

为研究空间杆系结构鲁棒性及结构失效模式预测方法,将杆件关键系数引入应力变化率法用于结构失效模式预测和结构可靠度分析以考虑悬链线作用对杆件失效模式的影响。利用ANSYS数值模拟分析了静力阶跃荷载和竖向地震荷载作用下单层星型穹顶结构杆件失效模式,对比了考虑杆件关键系数前后应力变化率曲线。作为对比分析,应用有限元软件ALGOR分析了一种新型张弦桁架结构在7种局部构件损坏工况下剩余构件内力变化的敏感性系数,分析了结构可靠度的鲁棒性并同传统张弦桁架结构进行了对比。结果表明,考虑杆件关键系数后显著提高了临界破坏发生前若干荷载步的应力变化率,从而可利用该方法在结构失效前进行预警。通过改变下弦拉索的数量和布置方式可有效降低其对构件内力变化敏感性的影响,从而有效提高结构可靠度。在断索工况下,该高冗余度张弦桁架结构可提高结构抗连续性倒塌能力,延长结构从局部破坏到全部倒塌的过程,增加了结构安全储备,增强了结构抵抗灾变荷载的能力。     

基于多维性能极限状态的结构易损性分析

由于基于性能的单指标易损性方法在结构易损性分析中忽略了非承重构件及设备仪器破坏的影响,该文提出了基于多维性能极限状态的易损性分析方法,采用承重构件敏感的最大层间位移参数与非承重构件及设备仪器敏感的最大加速度参数作为性能量化指标,建立了基于多维性能极限状态的广义方程描述结构整体的极限破坏状态。根据超越概率的定义,并考虑量化指标间相关性及其阀值的随机性,推导得到了二维性能极限状态下超越概率的解析解;并利用matlab拟合得到了结构在正常使用、可以使用、生命安全、防止倒塌四个性能水平下的易损性曲线。     

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。     

基于结构易损性理论的网壳失效模式分析初探

结构鲁棒性反应了结构系统抵抗外部环境干扰和内部不确定性因素影响而能保持稳定工作的能力。然而,对于结构鲁棒性评价指标尚未形成统一的理论方法和依据。易损性是鲁棒性的对立面,研究结构易损性可以从另一方面揭示结构缺乏鲁棒性的原因。Blockley等提出的结构易损性理论,通过分析不同初始破坏对结构几何拓扑关系的影响识别其薄弱部位。根据结构的节点连接性能将结构划分成不同层次的结构簇形成结构层级模型,利用结构层级模型找出结构的薄弱单元,从而确定结构内部存在的薄弱部位。本文将该理论应用于网壳结构倒塌模式分析,编制了相应的分析程序,以文献算例验证了分析程序的正确性。而后将易损性理论应用于星型网壳,说明基于易损性理论分析网壳等大跨空间结构倒塌模式的可行性。通过与地震作用下的倒塌模式相比较,表明结构易损性分析基本能够有效反应结构的最薄弱部位。失效模式的评价参数“相对损伤需求 ”和“易损性指数 ”可以科学反应失效模式发生的容易性和造成后果的严重性,即相对损伤需求越小,发生该模式的可能性就越大于其他失效模式;易损性指数越大则表示该失效后果的越不成比例性     

基于构件冗余度均衡化的单层网壳结构优化研究

为实现单层网壳结构构件冗余度的均衡分布,减小构件间的重要性差异,提高结构抵抗荷载作用的能力。将基于灵敏度分析的构件冗余度评价方法应用到单层网壳结构中,以衡量构件在结构中的重要性;而后根据构件冗余度系数值的大小,将结构构件划分为重要构件、一般构件和次要构件三个不同层次的构件集合,实现结构构件的分类控制;在此基础上以构件的截面参数为优化变量,将结构构件的冗余度标准差与各层次构件的冗余度标准差之和最小化定义为目标函数,基于粒子群算法优化结构构件的截面参数。结果表明:构件的冗余度系数可以准确地反映构件在结构中的重要性及其破坏后对结构的影响程度,减小构件间的冗余度差异,可以实现结构构件截面尺寸的合理分布,有效提升结构的整体性能和极限承载力。     

基于节点冲切破坏的板柱结构连续倒塌可靠性分析

从结构体系可靠度的角度认识钢筋混凝土板柱结构的抗连续倒塌性能,用Monte-Carlo连续成组抽样方法对以节点冲切破坏为主的板柱结构连续倒塌进行可靠度分析。在建立板柱节点功能函数的基础上,推演了抗冲切承载力分布及荷载基本变量分布和荷载效应组合的方法。通过计算初始条件下任意一个板柱节点失效的概率和一个节点失效条件下其他节点失效的条件概率,分析了不同位置板柱节点在抗连续倒塌中的重要性以及板柱结构的抗连续倒塌鲁棒性指标。结果表明:底层中柱节点冲切失效最容易引起其他节点的连续性破坏及倒塌,按我国规范设定了柱顶贯通受压钢筋的板柱结构鲁棒性指标比较高。     

角柱失效下钢管混凝土柱-组合梁框架抗连续倒塌能力研究

为研究角柱失效工况下钢管混凝土组合框架的抗连续倒塌性能,该文设计了1/4缩尺比例的两层两跨钢管混凝土柱-组合梁平面框架试件,对拆除角柱构件的剩余结构进行单调静力加载,获得该类结构的荷载-位移关系曲线、整体/局部破坏模式以及构件关键部位的应变曲线;在此基础上,采用能量等效原理分析该类结构的倒塌等效动力效应,并对该类结构的抗倒塌能力进行简要评估。研究结果表明:角柱失效工况下,钢管混凝土柱-组合梁框架受力过程主要经历了四个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段、内力重分布阶段和破坏阶段;试件整体破坏主要集中于失效跨,破坏特征主要以钢梁断裂和扭曲变形为主,且二层钢梁先于一层钢梁发生破坏;压型钢板组合板受力过程中与钢梁发生局部分离,部分栓钉拔断;失效跨二层钢梁翼缘开裂时,框架内力通过相邻柱向一层钢梁传递。基于试验结果和能量平衡原理的结构动力响应简化评估方法,发现角柱失效工况下该类结构仍具有15.3%的抗连续倒塌剩余能力。     

钢筋混凝土结构连续倒塌机制研究

该文基于显式动力学数值模拟分析、结构静力加载试验和振动台试验,对单榀框架结构、高层空间框架结构以及高层框架-核心筒结构在静力及动力荷载下的倒塌机制进行研究,分别从受力原理、破坏机制、失效顺序及范围等多方面进行分析,并根据失效柱处梁的变形、梁端局部受压区单元失效、关键构件底部钢筋应力时程、结构倒塌整体变形以及局部破坏等情况,对结构在倒塌过程中的"悬链线机制"开展情况进行研究。同时,对此类结构的抗倒塌设计提出建议。     

Geiger型碳纤维索穹顶结构连续倒塌性能非线性分析

为了研究Geiger型碳纤维索穹顶结构的连续倒塌路径及破坏模式,基于备用传力路径(alternate path,AP)方法,采用等效荷载瞬时卸载法来模拟初始失效构件的拆除,对矢跨比为0.1的索穹顶结构的连续倒塌全过程进行了非线性动力数值分析。提出结构重要性矩阵和构件重要性系数的概念,建立了倒塌控制方程。依据倒塌控制方程将构件分为:关键构件、重要构件和一般构件。上述三类构件分别对应于在拆除该构件后结构发生整体连续倒塌、局部连续倒塌和不发生连续倒塌三种倒塌结果。通过参数分析,得出结论:对倒塌结果影响较大构件为内环索、内圈和中圈压杆。针对Geiger型碳纤维索穹顶结构提高抗连续倒塌性能提出设计建议。     

考虑温度梯度的模态应变能法海洋平台损伤检测研究

针对导管架式海洋平台,研究了海水温度梯度对结构整体损伤检测方法之一的模态应变能法的影响。以一个导管架平台为模型,考虑温度对钢材弹性模量的影响,建立了该平台在模拟的海水温度梯度下的有限元模型。通过使用模态应变能法对该模型进行损伤检测,总结了温度梯度对基于模态应变能法的海洋平台损伤检测的影响规律。结果表明温度梯度会使该方法损伤定位能力变弱,对结构冗余度越大的构件影响越大;同时会使损伤程度识别精度降低,构件结构冗余度越大、损伤程度越小,影响越大。     

基于节点构形度均衡化的单层网壳结构优化设计研究

为实现网壳结构节点连接能力的均衡分布,改善结构性能,提升其极限承载力。基于构形易损性理论建立了衡量结构节点构形度差异性的评价指标,用以评价结构节点连接性能的差异性。在此基础上,将构件截面尺寸作为优化变量,以节点构形度差异系数最小化为优化目标,并考虑结构位移、构件长细比、强度及稳定性等约束条件,采用粒子群算法优化结构构件的截面尺寸。结果表明,节点构形度差异系数能准确反映网壳节点连接性能的差异性,通过粒子群算法优化结构构件的截面尺寸,可实现结构节点连接性能的均衡分布,改善结构在地震作用下的倒塌模式,有效提升了结构的整体性能。     

含格构化体系柱RC框架的鲁棒性分析

为了对含格构化体系柱RC框架进行鲁棒性研究,该文提出了一种基于抗力利用率的构件易损性系数量化方法,并改进了结构鲁棒性系数的计算。分析比较了4个含不同格构化体系柱RC框架的构件重要性系数、构件易损性系数以及结构鲁棒性系数。分析结果表明:支撑能够降低框架的构件重要性系数和易损性系数,从而提高结构的鲁棒性,且鲁棒性系数受支撑强度的影响,当支撑为易损构件时,支撑越强,结构鲁棒性越大。最后提出了3种提高结构鲁棒性的有效方法:减小结构中构件的重要性系数、减小构件易损性系数以及降低结构重要构件和易损构件的重合率。分析表明在体系柱中加支撑是提高含格构化体系柱RC框架鲁棒性的有效途径。     

减震设计与抗震设计RC框架结构抗地震倒塌能力对比

与传统抗震设计不同,结构的消能减震设计通过在结构上设置减震装置以消耗地震输入能量,达到减轻主体结构地震响应的目的,在满足相同的设计要求下,减震设计结构由于阻尼器的耗能作用,其截面尺寸或配筋较抗震设计结构有一定的优化。根据我国抗震规范,按传统抗震方法和消能减震方法分别设计了一组钢筋混凝土框架结构。采用基于动力增量时程分析方法的结构抗倒塌易损性分析流程,对不同设计方法所设计的框架结构的抗地震倒塌能力和抗倒塌安全储备进行了定量评价,并对计算结果进行了对比分析。根据分析结果提出了提高高烈度区减震设计框架结构抗倒塌能力的相关措施,并通过算例验证了所提措施的有效性。     

考虑杆件失稳的单层网壳结构二阶计算方法

针对目前普遍采用的二阶分析方法存在的问题, 分别推导了考虑梁柱效应的受拉与受压杆件的位移插值函数。利用级数展开, 提出了同时适用于受拉与受压情况、考虑梁柱效应的杆件失稳前计算模型。引入杆件失稳判别条件与杆件失稳后计算模型, 建立了考虑杆件失稳的单层网壳结构二阶分析计算方法。算例分析表明:该文方法能较好体现二阶效应与杆件失稳对结构位移与承载力的影响, 具有较高的计算精度与效率。不考虑杆件失稳会高估结构承载力, 不考虑二阶效应无法准确计算结构响应, 因此对单层网壳结构进行分析计算时应考虑杆件失稳, 且采用二阶分析方法。     

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。     

高延性混凝土偏心受压柱正截面受力性能试验研究

为研究高延性混凝土（HDC）偏心受压柱的受力性能,进行了6个HDC试件和2个RC试件的偏心受压试验,研究HDC偏压柱的破坏形态、承载力及变形能力。试验结果表明:采用HDC替换混凝土可明显改善小偏心受压柱的脆性破坏,提高构件发生小偏心受压破坏的变形能力;相对于RC大偏心受压柱,HDC大偏心受压柱表现出较好的裂缝控制能力,破坏时受拉区裂缝均匀而细密;随着偏心距增大,HDC偏压构件的承载力降低,变形能力提高。正截面受力分析表明:HDC偏心受压构件的相对界限受压区高度均大于RC构件,更有利于高强钢筋的力学性能发挥;考虑HDC受拉作用的偏心受压构件正截面承载力计算结果与试验值吻合良好。该文研究结果可为HDC偏心受压构件截面设计提供试验依据和理论基础。     

RPC中空受压构件截面设计及受力性能研究

根据活性粉末混凝土(RPC)材料特性及构件受压稳定理论,以截面最薄处抗剪强度为控制指标设计了中空受压构件截面。据此制作了4个中空截面受压构件,对其轴压承载力进行了理论计算并进行了轴压破坏试验。采用数字影像相关技术(DIC)获得了构件全场应变云图进而得到构件荷载-变形关系曲线。基于Weibull构建了RPC的本构模型,并在ABAQUS中构建与之对应的混凝土损伤塑性本构模型。采用RPC损伤塑性本构模型对所设计中空截面构件进行了数值模拟,分析结果与理论计算及试验结果符合较好,构件破坏时RPC强度能够得到充分发挥,由此验证了构件截面设计的合理性。研究工作为RPC在框架结构中应用提供参考。     

部分预制装配型钢混凝土构件斜截面抗剪承载能力试验研究

为建立部分预制装配型钢混凝土（PPSRC）构件的抗剪承载力计算公式,该文设计并进行了7个试件的静力加载试验,考虑了剪跨比、现浇混凝土强度和截面形式三个变化参数对PPSRC构件抗剪性能的影响。通过分析试件的破坏过程、剪力-位移曲线和剪力-应变曲线,对PPSRC构件的破坏机理和抗剪承载力进行研究。基于试验结果,分析了预制装配型钢混凝土构件抗剪承载力的主要影响因素,依据叠加原理提出了部分预制装配型钢混凝土构件斜截面抗剪承载力计算公式。试验结果表明:部分预制装配型钢混凝土构件斜截面破坏形态有斜压破坏和剪压破坏两种形式,预制混凝土和现浇混凝土的协同工作良好;提出的抗剪承载力计算公式可为部分预制装配型钢混凝土构件的设计提供一定的基础。