媒体重头文章概览

《土木建筑与环境工程》04/2014考虑损伤累积效应的拱形立体桁架结构倒塌分析以实际工程为背景,通过ABAQUS损伤材料子程序对拱形立体桁架结构进行连续倒塌分析,考虑了杆件失稳的影响,研究了该类结构在强震作用下的倒塌破坏机理和破坏模式。结果表明,强震作用下,拱形立体桁架结构杆件损伤不断累积,刚度逐渐退化,最终失效退出工作。损伤累积效应使杆件应力减小,应变增大,同时节点位移幅值增大。     

强震作用下大跨度拱形立体桁架结构动力失效机理研究

大跨度拱形立体桁架结构在强震下发生的失效模式有动力失稳破坏和动力强度破坏,依据已有的B-R动力失稳判定准则和评定网壳结构动力强度破坏行为的方法,研究结构在强震作用下进入塑性杆件数目及比例,以及结构最大位移变化规律.研究表明,如果超过某一荷载时,结构进入塑性的杆件比例显著增长,则该荷载即被认为是拱形立体桁架结构的动力强度破坏临界荷载.以某拱形立体桁架为背景,选取三向El-Centro波和三向天津波作为地震输入进行弹塑性时程分析,进一步验证本文的结论,通过分析可以得出该拱形桁架在强震作用下发生动力失稳破坏.     

拱形立体桁架结构振动台试验研究

为研究拱形立体桁架结构在强震作用下的破坏模式,以一实际工程为背景,对拱形立体桁架结构进行缩尺比例为1/15的振动台试验。对模型相似比的选取、模型设计以及加载方案、测点布置等进行说明,得到各级人工波作用下,模型自振频率、阻尼比、加速度反应、位移反应以及杆件应变,研究模型自振特性的变化规律,获得拱形立体桁架结构在强震作用下的破坏模式。研究表明,随地震波峰值加速度的增大,结构各向自振频率和等效刚度降低,结构阻尼比增大。地震波向模型顶部传播过程中,加速度和位移响应随结构高度逐渐放大。当输入峰值加速度达到0.8 g时,结构刚度迅速下降,主桁架斜腹杆大量屈曲;当输入峰值加速度达到1.0 g时,结构刚度下降50%,发生平面内反对称变形。     

基于IDA的格构式拱结构抗倒塌性能分析

采用自定义钢材本构模型,考虑压杆失稳后的力学性能,对格构式拱结构进行增量动力分析(Incremental Dynamic Analysis,IDA),得到格构式拱结构的薄弱位置以及倒塌破坏极限位移。不同跨度的格构式拱在竖向地震作用下,结构概率分位值为95%对应的结构倒塌极限竖向位移为结构跨度的1/154~1/104。在水平地震作用下,结构概率分位值为95%对应的结构倒塌极限水平位移为结构柱高的1/40~1/28。在竖向地震作用下,结构的薄弱位置主要位于跨中;在水平地震作用下结构薄弱位置主要位于桁架柱身;考虑压杆失稳时,1/4跨度处的斜腹杆由于长细比较大将会发生失稳破坏。在双向地震作用下,主桁架失效位置主要集中于桁架柱腹杆和1/4跨度处。IDA分析结果与试验结果一致,可为格构式拱结构的抗倒塌设计提供参考。     

大跨度空间张弦桁架结构抗连续倒塌性能研究

大跨度空间张弦桁架结构在局部初始破坏下的传力模式和倒塌机理应深入研究。基于验证后的有限元模型,分别对拉索、柱、支座下弦杆失效下张弦桁架结构的抗连续倒塌性能进行研究,在此基础上给出提升此类结构抗连续倒塌性能的具体措施。研究结果表明:单榀张弦桁架传力路径单一,拉索和支座处下弦杆的失效会导致结构发生连续倒塌。由于纵向联系桁架的支撑作用,相邻榀张弦桁架参与工作,空间张弦桁架结构的最大应力及位移较单榀时大大减小,空间效应显著,在拉索、柱、支座下弦杆失效时均未发生完全倒塌。基于大跨度空间张弦桁架结构的抗倒塌模式,加强张弦桁架和纵向联系桁架交叉区域的弦杆及支座处腹杆、将单索换为双索能够有效提升大跨度空间张弦桁架结构的抗连续倒塌性能。     

梅江会展中心张弦桁架抗连续倒塌分析

通过对天津梅江会展中心张弦桁架移除关键构件后的残余结构的承载力分析,得到张弦结构的支座、边索和边跨桁架支座处下弦杆等关键构件的破坏对结构承载力影响最大;为了模拟杆件失效前静力荷载产生的初始变形对结构连续倒塌的影响,采用考虑初始变形的全动力等效荷载瞬时卸载法模拟杆件失效。对支座、边索和边跨桁架支座处下弦杆失效进行连续倒塌动力分析,研究了纵向联系桁架对张弦结构抗连续倒塌的作用,得到平面张弦桁架通过纵向联系桁架组装成一整体,其整体性随着纵向联系构件抗弯刚度的增大而提高,共同作用效果明显。在此基础上,利用山墙的抗风柱,将边跨张弦桁架改变为多支点支承的普通桁架,设计时该抗风柱不仅承担水平风荷载,还承担竖向荷载,从而提高结构的抗连续倒塌能力。并根据该工程的特点提出集桁架支座、张拉端（锚固端）和桁架下弦管于一体的铸钢节点构造,不仅满足建筑要求,还使得该处节点承载力大大加强,可供相关工程参考。     

基于响应敏感性的单层球面网壳冗余度分析与验证

冗余特性是影响结构鲁棒性的重要因素之一,是损伤情况下结构安全性的体现。以结构的应变响应对单元材料弹性模量的敏感性作为结构构件冗余度评价指标,对3个缩尺比为1/10的单层球面网壳振动台试验模型的冗余度进行了分析。模型一的整体刚度分布均匀,其强震作用下的倒塌模式为强度破坏;模型二在6个径向主肋区设置了薄弱区,其破坏模式为动力失稳;模型三在模型二的基础上不设薄弱区,结构刚度分布均匀,在强震作用下发生强度破坏。对比试验模型的冗余度分析结果与其振动台倒塌试验结果,发现发生破坏的杆件普遍冗余度较低。研究表明,可以用冗余度衡量杆件在结构中的重要性,冗余度较小的杆件是易发生破坏的结构弱点所在,其破坏将对结构产生很大影响,是结构的关键构件。     

高层钢框架考虑损伤累积效应的地震倒塌分析方法

针对结构倒塌破坏的不确定性,提出一种用于高层钢框架结构在强震作用下结构倒塌全过程模拟的数值方法,该方法采用基于中心差分法的显式积分格式,通过定义结构的层损伤,将修正的K&K模型应用到结构中,以考虑结构在地震作用下强度和刚度的退化规律。通过编制有限元程序将该方法用于分析20层benchmark模型结构倒塌全过程和倒塌机理。分析表明,该考虑材料损伤累积效应的方法能更精确地确定高层钢框架结构的失效极限荷载,且在未知结构的失效破坏模式前提下,可较好地模拟在地震作用下结构的失效路径以及倒塌全过程和揭示结构的倒塌机理。     

钢结构交错桁架体系在强震作用下的破坏模式

对钢结构交错桁架体系在强震作用下的工作性能进行了研究。通过采用改进的静力弹塑性(NSP)分析方法,在对一个交错桁架体系实例的原结构方案进行修改的基础上,分析了交错桁架结构布置方案在强震作用下的破坏模式和延性要求的一般特性,得到了不同布置方案在强震作用下的破坏模式特点和各个楼层的延性要求。分析结果表明:在强震作用下交错桁架体系的塑性铰发展多集中在桁架腹杆中,柱中一般无塑性铰出现,结构刚度退化小,变形能力强,具有良好的抗震性能和延性能力。     

单层柱面网壳抗连续倒塌性能

研究了不同荷载布置形式、支承方式条件下,单层柱面网壳的抗连续倒塌性能和倒塌破坏模式,采用基于构件承载能力的敏感性评价指标,分析了初始缺陷、压杆失稳等因素对杆件、节点敏感性指标的影响。结果表明,当采用四边支承时,满跨均布荷载起控制作用,跨中节点为敏感构件,与之相邻斜杆为关键构件;当采用纵向两边支承时,半跨均布荷载起控制作用,杆件和节点的敏感性指标在1/3跨处最大,支座处最小。当考虑初始缺陷时,杆件、节点重要性系数分别增大了41%和53%;当考虑压杆失稳时,杆件和节点重要性系数分别增大了45%和62%。通过对关键构件进行加强,可以优化该类结构的抗连续倒塌性能。     

减震与隔震集成技术在钢管拱桁架体系中的应用

将隔震支座与防屈曲支撑应用于三心圆立体钢管拱桁架体系,以开展其集成减震与隔震效应研究。通过利用SAP 2000软件和几何与材料双重非线性的集中塑性铰理论,开展其在地震波作用下的动力弹塑性性能分析,分别获得原结构和减震与隔震结构的塑性铰分布、整体变形、失效形态及结构延性系数,比较并评定了原结构和减震与隔震结构的失效类型、极限承载力和变形能力。结果表明,减震与隔震结构自振周期得到延长,失效界限地震波加速度峰值相比原结构提高了131.2%,抗震性能显著提高;原结构和减震与隔震结构的失效破坏类型均为弹塑性动力失稳破坏,地震波作用下两种结构在失效界限时出现的塑性铰杆件数量均较少,但分布比较均匀;两种结构模型在两个主要受力方向均具有一定的延性性能,但其失效前的绝对变形较小,破坏前预兆性不显著。     

基于纵筋屈曲约束构造的RC柱轴压性能试验研究

在地震往复荷载作用下柱端塑性铰区常出现纵筋屈曲破坏的现象,为有效减缓RC柱端部纵筋屈曲破坏,开发了一种纵筋屈曲约束构造,进一步通过6组RC柱轴压静力试验,研究分析了不同纵筋屈曲约束构造形式、屈曲约束长度等对RC柱轴压力学性能的影响,考察钢筋混凝土柱的轴压性能及其破坏模式。研究结果表明：所提出的纵筋屈曲约束构造能在纵筋屈曲变形时提供较大的横向约束,可显著减缓纵筋屈曲破坏;套管长度范围内纵筋的无粘结构造可减小纵筋局部应力;RC柱纵筋屈曲约束构造可有效提升受压RC柱的极限承载能力和延性性能。     

冷弯薄壁型钢屋架受力性能及杆件计算长度研究

为研究低层冷弯薄壁型钢结构屋架的受力性能,对两个不同构造形式的屋架足尺试件进行了受弯性能试验研究,考察了冷弯薄壁型钢结构屋架的工作原理和破坏模式。试验结果表明：钢桁架的破坏主要是支座处节点连接的破坏,而杆件没有发生屈曲,不属于强度破坏。采用非线性有限元分析方法对钢结构屋架进行了变参数分析,结果表明：钢材强度、截面形式以及钢材厚度对桁架承载力都有较大的影响。采用柱挠度曲线(CDC)法分析了节点连接半刚性对冷弯薄壁型钢桁架压杆计算长度的影响,研究表明,冷弯薄壁型钢桁架压杆半刚性连接的计算长度与节点转动刚度和构件自身刚度有关,建议受压弦杆、端斜腹杆以及端竖腹杆平面内计算长度系数取为1.0,受压腹杆平面内计算长度系数取为0.9。     

Finite element analysis of concrete-filled circular steel tubular columns subjected to post-earthquake fire

为研究圆钢管混凝土柱经历地震损伤后的耐火性能,选取了合理的地震损伤指数及材料本构模型,采用有限元分析软件ABAQUS,对钢管混凝土柱在往复荷载和火灾等不同工况下的试验进行了数值模拟验证。在验证模型可靠性的基础上,利用ABAQUS中的数据传递功能,建立了震损后圆钢管混凝土柱耐火极限有限元计算模型。以圆钢管混凝土典型轴心受压柱为分析对象,对其先后经历地震和火灾作用下的破坏形态、损伤机理进行了分析,研究了损伤指数对圆钢管混凝土柱震后耐火极限的影响。结果表明：震损后圆钢管混凝土柱在高温下的破坏形态是在前期地震损伤基础上的发展和蔓延;地震损伤指数是影响圆钢管混凝土柱震后耐火极限的重要参数,随着地震损伤指数增大,圆钢管混凝土柱的耐火极限有所减小。     

上海中心大厦伸臂桁架与巨柱和核心筒连接的静力性能试验研究

超高层框架-核心筒结构体系中,伸臂桁架连接着外围巨柱框架与内部核心筒,需传递巨大内力,其连接构造、传力机制等非常复杂。以上海中心大厦工程为背景,选取钢骨混凝土巨柱-伸臂桁架-环带桁架连接区域和伸臂桁架-核心筒连接区域进行了单调静力加载试验,并进行了有限元分析和简化模型计算分析。结果表明：伸臂桁架能够有效连接相邻构件并可靠传力,其破坏模式表现为伸臂桁架斜腹杆的受压屈曲以及上、下弦杆的弯曲变形,具有较好的延性;伸臂桁架与巨柱和核心筒连接的节点板虽然部分区域进入塑性,但塑性变形不明显,表明连接区域的承载力远高于杆件的承载力;有限元分析及简化模型分析结果与试验结果吻合良好;简化模型反映了伸臂桁架的非线性受力机理,可对其失效荷载进行准确预测,并可根据结构性能设计要求进行伸臂桁架分析和构件截面选择。     

上海中心大厦伸臂桁架与巨柱和核心筒连接的抗震性能试验研究

在上海中心大厦伸臂钢桁架与柱和核心筒连接单调静力试验的基础上,进行了该连接的抗震性能试验。试验设计了3种不同的反复加载路径,以考察普通循序渐增加载方式和不同损伤累积后再以普通循序渐增加载方式下试件滞回特性和耗能能力的差别。结果表明：在几种不同路径反复荷载作用下,试件最终破坏均发生在伸臂桁架斜腹杆和下弦杆端部,伸臂桁架与巨柱和核心筒连接的节点板塑性应力水平较低,滞回曲线形状饱满,延性较好,满足结构抗震设计要求;伸臂桁架在不同加载路径下的累积塑性耗能引起的塑性损伤对伸臂桁架的滞回性能退化有一定影响,但并不显著;单斜腹杆作为伸臂桁架耗能的主要构件,其累积轴力耗能占伸臂桁架总耗能的70%左右。     

钢管桁架结构K形搭接节点抗震性能试验研究

按钢管桁架结构K形搭接节点隐藏焊缝焊接情况制作了4个足尺试件,通过对其进行拟静力试验,研究K形搭接节点内隐藏焊缝在焊与不焊情况下的试件变形、破坏模式、节点的耗能性能等。得到了试件的滞回曲线、骨架曲线、承载力、延性性能、耗能能力等抗震性能指标。试验结果表明：K形搭接节点内隐藏焊缝对试件的承载能力影响不大;节点的破坏模式主要是搭接支管的变形与屈曲以及搭接支管与被搭接管、主管之间连接焊缝的破坏;隐藏焊缝不焊接节点试件的滞回耗能优于隐藏焊缝焊接的节点试件;隐藏焊缝不焊接节点试件的变形是隐藏焊缝焊接节点试件的1.1~1.2倍。     

Failure mechanism and retrofitting strategy of transmission tower structures under ice load

An experimental study was conducted on two pairs of subassemblages of a typical 500 kV transmission tower of the same type as those suffered the most severe damage during ice disaster in South China in 2008. The objectives are to study the failure mechanism of transmission towers under extreme load of freezing rain and to investigate the pertinent retrofitting strategy for increasing the load-carrying capacity of towers so as to prevent their collapse. The difference between specimens in each pair is that one had an additional diaphragm as measures of retrofitting while the other did not. The mechanical behavior, failure mode, strain and deformation at critical points, of the specimens were studied. The test results revealed that buckling of the main leg was the predominant failure mode of structures. For the two subassemblages without diaphragm, the out-of-plane deformations in the joints of diagonal bracings were relatively large and the buckled main angle members exhibited apparent torsion, which significantly decreased the load-carrying capacity of specimens. But for the two subassemblages with diaphragms, the out-of-plane deformations of cross-bracings were markedly inhibited by the added diaphragms and the buckling mode of the main member approached flexural buckling without torsion. As a result, the ultimate strength was increased by 18.3% and 17.6% for the single-panel and double-panel tower subassemblages respectively. It shows that the addition of the diaphragm significantly improved the mechanical performance of transmission towers by reducing the torsional effect on main members and inhibiting the out-of-plane deformation of diagonal braces.     

Dynamic analysis methodology for progressive failure of truss structures considering inelastic postbuckling cyclic member behavior

Over the years, several catastrophic collapses of truss structures have been reported. Sudden failure or reduction in member capacity of a single member in a truss structure gives rise to dynamic force redistribution in the remaining members and may lead to progressive collapse of the entire structure. During failure, truss members can undergo inelastic cyclic behavior (including postbuckling in compression and yielding in tension) that may not have existed in the intact structure. This paper presents a methodology to incorporate the inelastic cyclic member force-deformation behavior in the dynamic analysis of truss structures and at the same time incorporates the possible dynamic effects arising from the sudden change in load carrying capacity of a member due to failure or buckling/postbuckling. The method tracks and generates the force-deformation characteristics of every member of the truss at each incremental time step. The continuous change in the load-carrying capacity and the stiffness of members during the nonlinear force-deformation history has been incorporated in the analysis scheme using the Pseudo-force approach. The solution methodology for obtaining the dynamic response of the structure is based on the finite element technique and considers elasto-plastic material and large deformation geometric nonlinearities. The methodology is applied to a two-dimensional three-member toggle redundant truss subjected to external static, quasi-static, and dynamic (sinusoidal and ramp) loads. Results delineating the effects of the inelastic cyclic axial force-deformation relation of each member and the time variation of joint displacements and member forces are presented for each loading condition. The results show that there exist cases where modeling a compression member with its actual postbuckling behavior, which although has some reserve load carrying capacity, are more critical than the case where the same member is considered to suddenly lose its full load carrying capacity at its buckling load.