考虑损伤累积及杆件失稳效应的网壳结构极限承载力分析

为准确分析地震作用下网壳结构的极限承载力,推导了适用于网壳结构常用杆件圆钢管的考虑损伤累积的混合强化本构模型;引入了杆件失稳判别条件和杆件失稳后的力学模型;编写了考虑损伤累积和杆件失稳效应的基于有限元软件ABAQUS 空间梁单元的材料子程序VUMAT-DMB。通过与理论计算结果和已有试验结果进行比较,验证了所编程序的正确性和准确性。算例分析表明:考虑损伤累积对网壳结构极限承载力影响不大,杆件失稳效应将明显降低网壳结构极限承载力。     

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。     

考虑受压屈曲的圆钢管杆单元等效弹塑性滞回模型

强震作用下网格结构杆件的破坏形式为受拉屈服和受压屈曲,而常用的理想弹塑性模型却不能考虑杆件受压屈曲的情况。使用LS-DYNA软件对不同长细比圆钢管杆单元的受压极限承载力、屈曲前后平衡路径以及卸载路径进行计算,并分析拉压往复作用下的滞回规律。通过统计这些杆单元的轴力、伸长量与长细比之间的关系,提出了一个能同时考虑受拉屈服和受压屈曲的圆钢管杆单元的等效弹塑性滞回模型。进一步将该等效弹塑性模型应用于一球面网壳结构的罕遇地震作用时程计算,发现杆件的破坏形式和结构薄弱区域与理想弹塑性模型的结果有明显区别,也反映了本文提出的等效弹塑性滞回模型的有效性。     

考虑杆件失稳的网壳结构稳定分析方法

网壳结构在整体失稳之前可能存在杆件失稳, 但目前网壳稳定分析中大多没有考虑杆件失稳问题。该文通过引入杆件初始缺陷的方法研究杆件失稳对网壳结构整体稳定性的影响。首先讨论了单根杆件的单元划分数量、缺陷形式和缺陷幅值的确定方法, 进而分析网壳结构单根杆件失稳后的内力变化及对网壳整体稳定性的影响。算例分析表明:网壳整体稳定分析中可通过对杆件施加初始缺陷有效地考虑杆件失稳的影响;对整体失稳前存在杆件失稳的网壳结构, 有必要引入杆件缺陷考虑杆件失稳的影响, 不考虑杆件失稳会过高估计结构的承载能力。最后提出了网壳结构稳定分析的合理计算流程, 与试验结果的比较表明该文方法合理、有效。     

局部单双层网壳结构的参数分析

为考虑设计变量之间的相互作用和荷载组合的影响,采用均匀设计法进行局部单层、双层网壳的参数分析。考虑了网壳矢高、单层范围面积、单层部分杆件的设计应力比等设计变量。使用较少的计算实验次数,得到材料用量、最大位移、基本频率和屈曲荷载的反应面近似函数,以及变量、组合变量的显著性顺序。局部单双层六边形网壳的材料用量和屈曲荷载受单层范围面积影响最大。预应力局部单层、双层六边形网壳的材料用量和屈曲荷载受单层部分杆件的设计应力比影响最明显。     

焊接球节点单层球面网壳精细化动力分析

单层球面网壳几何非线性影响较为明显,强烈地震作用下有发生动力失稳破坏的可能,节点和杆件在强震作用下会发生较大塑性变形和损坏,从而影响整体结构的抗震能力,因此网壳结构引入节点建模的精细化动力分析尤为重要。而传统单层网壳的分析常把焊接球节点假设为完全刚性节点,未考虑节点弯曲刚度、轴向刚度以及扭转刚度的影响,会过高的估计结构抗震承载力,使结果偏于不安全。采用ANSYS软件中的SHELL181壳单元建立了一个跨度为6 m的K6(2)型包含焊接空心球节点的精细化网壳模型,研究了网壳的频谱特性、水平和三向地震作用下的承载力,以及节点壁厚变化对动力极限承载力的影响。结果表明,节点的塑性发展会影响网壳的动力稳定性,在满足节点壁厚与杆件壁厚比大于1.5时,节点刚度变化对动力极限承载力影响较小。     

铝合金半刚性椭圆抛物面网壳静力稳定性分析

针对目前铝合金单层网壳结构中节点形式过于单一的局面,该文首先研发出了一种新型铝合金半刚性节点--柱板式节点。获得了柱板式节点绕强轴、弱轴和扭转三个方向的弯矩-转角曲线,并将其引入到网壳杆件单元模型中,建立了半刚性节点工字型杆件椭圆抛物面网壳的数值分析模型。在此基础上,考虑节点强轴刚度、节点弱轴刚度、节点扭转刚度及跨度和矢跨比等参数影响,对半刚性节点高强铝合金椭圆抛物面单层网壳进行了弹塑性全过程分析,得到了各参数对网壳极限承载力的影响规律,并详细地考察了网壳失稳时的变形形态。研究发现:网壳失稳时,网壳中的柱板式节点均处于弹性状态,说明柱板式节点有较好的刚度,网壳的失稳为伴随杆件扭转屈曲的局部失稳。     

基于节点构形度的单层柱面网壳稳定优化设计

稳定是单层柱面网壳结构分析与设计中的关键因素。从节点构形度的视角,考虑外在因素中与稳定问题直接相关的核心部分,定义了能全面反映结构静力稳定特性的节点构形度相对变化梯度(gra_r),其最小值(gra_r_(min))与稳定承载力直接相关。gra_r能定量地衡量结构丧失稳定的趋势,揭示网壳结构失稳机理。在此基础上,进一步提出了单层柱面网壳稳定优化设计方法。稳定优化模型以gra_rmin最大化为优化目标,离散的杆件截面为优化变量,考虑规范规定的各项设计约束条件,在给定用钢量的前提下,提高结构稳定承载力。两个实际工程算例验证了单层柱面网壳稳定优化设计方法的有效性。     

罕遇地震下双层球面网壳的弹塑性动力响应分析

对54个双层球面网壳模型在罕遇地震下的弹塑性响应进行了计算。网壳模型中杆件截面按非地震工况下的满应力设计确定,并满足小震作用下的结构验算。计算时考虑网壳和下部结构的协同工作。杆单元采用能够同时考虑受拉屈服和受压屈曲的等效弹塑性滞回模型。根据计算结果,考察了网壳跨度、矢跨比、支座连接条件、下部结构形式以及地震波选取对结构塑性区域、塑性发展程度以及残余变形的影响。研究表明,罕遇地震下双层球面网壳的薄弱区域不全出现在临支座区域。当网壳受下部结构约束较强或跨度和矢跨比均较大时,发生残余塑性应变的杆件大多出现在网壳中间圈层区域。跨度、矢跨比和支座条件是影响塑性杆件分布和塑性应变大小的三个敏感因素。但所有模型并没有在罕遇地震下出现倒塌。     

单层柱面网壳强震失稳分析中考虑节点刚度影响的简化模型研究

在进行单层柱面网壳强震失稳分析时,采用能考虑球节点轴向刚度和弯曲刚度耦合的壳单元精细化模型固然好,但是壳单元模型的单元数目太多,相对于一般的梁单元简化模型的计算量是非常大的。然而,一般简化模型由于不考虑节点刚度的影响,强震下地震响应分析的结果误差又较大。因此,在简化网壳模型的基础上建立了能等效精细化网壳模型的相对简化模型,此模型在节点区域用梁单元代替空心球节点,通过减小节点区杆件的刚度,可以明显改善模型的分析精度,而且采用模型后计算量增加不大,所以此模型更适合进行此类结构的强震失稳分析。     

单层网壳结构稳定性分析方法研究

为了准确地分析具有初始几何缺陷的单层网壳结构整体稳定性,运用随机缺陷模态法、一致缺陷模态法和N阶特征缺陷模态法,对4个不同矢跨比的K8型单层网壳进行了近1300例弹塑性荷载-位移全过程分析,探讨不同分析方法的合理性和可行性。研究表明:随机缺陷模态法能较为科学地评估初始几何缺陷对结构稳定性的影响,但计算量较大;对稳定承载力系数样本进行统计特性分析时,空间样本数量n不应小于100;运用随机缺陷模态法确定网壳结构最终的稳定承载力系数时,建议采用“3σ”原则;采用最低阶屈曲模态模拟初始几何缺陷分布,求得的稳定承载力并非最不利,其保证率得不到有效保证;N阶特征缺陷模态法能够通过较少的计算量,得到满足“3σ”原则要求的稳定承载力,并能较为合理、安全地评估网壳结构的稳定性能;在运用N阶特征缺陷模态法时,建议N=20。     

基于非线性屈曲材料模型的张弦桁架连续倒塌分析

在拉索失效等工况下,张弦桁架连续倒塌时主要破坏形式为压杆的受压屈曲和拉杆的受拉屈服。为考虑受压杆件的屈曲效应,目前分析研究一般采用将每根杆件划分为多个单元并施加初始几何缺陷的方法,分析效率低、耗时长。针对这一问题,在梁柱单元修正混合强化本构模型的基础上,结合梁柱单元非线性屈曲材料模型,提出了张弦桁架连续倒塌快速分析方法,并通过算例验证了材料模型的正确性。利用ANSYS/LS-DYNA编制了所提出材料模型的子程序,基于增量动力分析法,开展了张弦桁架在拉索失效工况下的连续倒塌分析。在此基础上,对三种加强方式的结构进行增量动力分析,研究了加强部分重要杆件对张弦桁架在拉索失效工况下抗连续倒塌能力的影响。开展了张弦桁架连续倒塌易损性研究,综合评估了张弦桁架抗连续倒塌能力。结果表明:快速分析方法比传统分析方法缩短计算耗时39.89%;在加强了部分跨中上弦杆、跨中下弦杆后,张弦桁架的极限承载力最多提高16.67%,达到两种形态所对应的荷载值也均有所提高;基于快速分析方法可有效评估张弦桁架的综合抗连续倒塌能力。     

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。     

Load‐bearing capacity of slender unreinforced masonry compression members under biaxial bending

Dedicated to Prof. Dr.‐Ing. Carl‐Alexander Graubner on the occasion of his 60th birthday Masonry members have to resist vertical loads and bending moments about the weak axis due to rotation of adjacent slabs. If the compression member is part of the bracing system, there are also bending moments about the strong axis. This paper deals with the load‐bearing capacity of biaxially eccentrically compressed unreinforced compression members with rectangular cross‐sections. For linear‐elastic material, the principles of an analytical model is presented, which considers geometrical and physical (cracking) non‐linearity. The deflections of the wall can be determined by using moment‐curvature relations, making possible the analytical analysis of compression members considering the effects of 2nd order theory. For a non‐linear stress‐strain relation, the calculation of the load carrying capacity of rectangular compression members under biaxial bending is complex and has to be determined numerically. The good accordance of the results of the analytical model with the numeric calculations is also shown for various eccentricities. In addition, a simplified proposal for the calculation of the load‐bearing capacity of biaxially eccentrically compressed unreinforced compression members is shown. The proposal is based on the load‐bearing capacity of uniaxially eccentrically compressed unreinforced compression members. Therefore it is possible to use the proposal considering existing models, for example according to Eurocode 2 or 6.     

基于统一强度理论考虑拉压模量不同散体材料桩承载力计算

考虑岩土类材料拉压模量不同和应变软化特性,运用空间轴对称的统一强度理论分析了柱形孔扩张问题,推导出了圆孔扩张问题的应力场、位移场及最终扩张压力的统一解表达式,并在此基础上推导出了散体材料桩极限承载力计算公式。将该公式应用于某高速公路碎石桩复合地基中碎石桩极限承载力的计算,计算值与试验值吻合良好。最后,分析了不同拉压模量比、软化特性参数及其他计算参数对计算结果的影响。分析结果表明:采用传统弹性理论,不考虑拉压模量不同及应变软化的计算方法,会带来较大的误差。     

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。     

钢筋混凝土剪力墙变形能力计算方法研究

为了确定钢筋混凝土剪力墙的变形指标,在考虑剪力墙构件高宽比、配箍特征值、轴压比和非线性剪切变形等影响剪力墙构件变形的因素之后,该文提出了一种剪力墙变形能力计算模型。该模型由受拉区、受压区及刚性域组成,称之为拉-压刚域模型。将该计算模型用于两组共12片剪力墙构件的变形指标计算,并将计算值与试验值进行了对比分析。结果表明,剪力墙构件顶点极限位移、极限转角、极限曲率以及顶点开裂位移、屈服位移和位移延性系数的理论值均与试验值吻合较好。对比结果验证了该文计算模型的有效性。     

基于屈曲模态的弹性压弯构件平面内二阶弯矩计算

目前,对于一般情形,结构工程师缺乏简便可靠的手段计算钢结构构件的二阶效应,采用大挠度大变形的直接分析法成为唯一选择.该文从一般情形的等截面等轴力压弯构件平面内受力的基本方程出发,证明了其屈曲模态的正交性以及各种可能平衡状态的稳定性,并首次采用屈曲模态分解法,得到了构件二阶效应的屈曲模态级数解.更进一步,结合构件屈曲荷载...     

不锈钢工字形截面轴心受压构件整体稳定性能有限元研究

该文采用通用有限元软件ANSYS对奥氏体和双相体两种不锈钢材料的不锈钢工字形截面轴心受压构件的整体稳定性能试验进行了数值模拟。在建立有限元模型的过程中考虑了材料的非线性本构模型、构件的初始几何缺陷、残余应力,并分别对工字形构件绕强轴失稳与绕弱轴失稳形式进行了分析。通过有限元模拟得到的极限承载力、试验测量的极限承载力以及规范计算的极限承载力进行对比可知:该文的有限元方法能够准确模拟不锈钢轴心受压构件的受力情况;同时,对于工字形构件,残余应力对绕弱轴失稳构件的稳定承载力的影响较大;此外,GB50017-2003不适用于不锈钢整体稳定性设计。