基于显式弧长法的索杆张力结构成形过程数值模拟

索杆张力结构的施工成形本质上是通过缩短主动张拉索长度来驱动的,因此其成形过程可通过一系列随张拉索长度变化引起的连续平衡构型来模拟.由于施工过程中结构几何的不稳定性,通常采用动力松弛法进行这种松弛索杆系统平衡形态的求解以避免建立系统的刚度矩阵.将张拉索长度作为控制变量,在动力松弛法基础上引入了一个位移约束方程.进而提出了一种显式弧长策略来实现索杆张力结构成形过程的自动跟踪求解.该方法的优点是在求解过程中通过限制控制变量的增量以使结构位移保持恒定增加,因而求得的成形过程较常规方法更平稳,甚至可跟踪到可能存在的奇异构型.对一个索穹顶算例进行了的成形分析,计算结果反映了本文方法的精确性和有效性.     

索杆结构张拉过程模拟分析方法研究

张拉成型是柔性索杆结构施工过程的一个重要环节,而张拉过程模拟分析对于制定合理的张拉方案具有指导作用.总结了索杆张拉结构的构成以及受力特点,重点针对张拉过程模拟分析方法展开研究,不仅从理论上阐述了张拉过程模拟分析正装法和倒拆法的数值原理,还总结了计算过程中可能遇到的技术问题并提出解决方法.最后以深圳宝安体育场屋盖结构为算例进行张拉过程模拟分析,并通过分析计算结果判断张拉方案的可行性,为工程施工提供参考.     

考虑拉索滑移的索杆结构展开过程模拟

本文研究了拉索滑移对折叠索杆结构展开过程的影响。在提出一种基于悬链线解析解的二节点索单元的基础上,推导了索在支撑点处的滑移刚度,通过调整支撑点两侧索段的长度使两侧的索力满足协调关系,建立了能够考虑滑移的索结构运动过程分析方法。为了验证本文方法的正确性,对文献中介绍的两个算例进行了分析。分析结果表明本文方法能够正确有效的模拟索结构中的拉索滑移。最后对由四连杆机构和拉索构成的折叠索杆结构的展开过程进行了讨论。结果表明拉索滑移对索杆结构性能的影响较大;当拉索考虑滑移时,主动索的长度变化较小,而且节点坐标的改变幅度更大。     

索杆张力结构的计算机分析程序CSTS

索杆张力结构的分析包括成形过程分析、自平衡预应力跟踪分析和荷载受力分析,涉及形态和非线性有限元分析理论,本在阐述索杆张力结构分析的主要内容和方法的基础上,详细介绍了索杆张力结构计算机分析程序ＣＳＴＳ的功能模块,界面和菜单布置。该程序适用于索穹顶,索网结构、索桁结构和张拉整体等结构体系的分析计算。     

索穹顶塔架提升索杆累积安装施工成形过程模拟分析

提出了一种新的索穹顶结构施工成形方法—塔架提升索杆累计安装成形方法,该方法的实质是在已知构件原长的基础上,通过提升塔架的辅助提升作用,尽可能使得多数构件在近地面安装完成,以减小施工成形过程中构件的内力和施工牵引力。针对一个索穹顶结构算例,采用动力松弛法进行了施工全过程模拟,考察了构件内力与结构位形的变化规律。结果表明:构件的累计安装成形是结构刚度逐渐形成和积累的过程,塔架的辅助提升使得构件内力与结构位形变化过程变得平缓,施工过程便于控制。     

大跨度索杆张力结构的预应力分布计算

针对多自应力模态与机构位移模态索杆张力结构可行预应力分布求解的最复杂情形,为得到一种具有一定普遍意义的预应力优化求解策略,以该结构体系的一种新形式——大跨度环形平面空间索桁张力结构为基础,考虑其几何拓扑形式多样的特点,应用结构平衡矩阵理论与代数奇异值分解算法,通过对结构模态矩阵的分解变换及其组合运算,提出了一种可依据结构预应力分布的不同优化目标进行求解的新方法——目标选择优化法,使多自应力模态索杆张力结构体系的可行预应力分布求解工作得以便捷的实现。在此基础上,对大跨度索杆张力结构的预应力分布计算方法分三类进行了较为全面的总结;通过三种不同形式新型空间索杆张力结构的可行预应力分布求解算例,验证了上述计算方法的简捷与有效。     

基于显式动力学的框架结构倒塌数值模拟方法研究

以结构倒塌数值模拟的理论为基础,选择基于显式动力学的有限单元法作为数值计算方法,结合单榀框架倒塌试验及十层框架结构算例,分别建立并设置了线框、整体式和分离式模型,并采用拆除构件法对三个模型进行倒塌数值模拟方法的研究,分别从多个方面对结果进行比较,验证了数值模拟方法的合理性以及三种模型各自的适用性。同时,针对繁复的结构倒塌模拟前处理过程,采用VC++语言开发了可导出ANSYS/LS-DYNA结构倒塌线框模型APDL文本的MFC程序,以期为结构倒塌数值模拟提供便利。     

考虑约束条件的索杆张力结构找形研究

文中首先阐述常用力密度法的优缺点,在此基础上从能量的角度出发,建立基于梯度优化的索杆体系找形方法。利用拉格朗日乘子法将约束条件添加到目标函数中,并应用梯度法进行优化,从而得到考虑约束条件索杆张力结构的形状。在给定初始条件下,该方法可以找到同时满足能量最小和一定形态要求的索杆张力体系。并利用MATLAB编制相应程序,算例分析结果表明本文给出的索杆体系找形的方法适合于绝大多数索杆体系,无论是简单的平面张力结构、索穹顶结构,还是复杂的索桁体系。该方法的优点之一是可以在目标函数中直接引入边界约束条件,从而可以较方便地求解考虑约束条件的索杆张力体系的几何形状。     

基于LS-DYNA的结构连续倒塌过程数值模拟

结构在突发灾害作用下,通常引起局部构件的直接破坏,并进一步导致整体结构破坏、倒塌。这种倒塌破坏模式称为连续倒塌,其破坏模式十分复杂,具有动力性、非线性、不确定性等特点。本文应用大型动态数值计算模拟软件ANSYS/LS-DYNA,模拟框架结构的倒塌全过程。分析平面框架及空间框架结构在倒塌过程中不同的失效模式,研究不同失效区域下的倒塌的情况及堆积范围、应力最大点等问题的分析。同时,实现结构的载荷传递路径以及内力重分布的可视化,从而可以为实际工程结构的倒塌预防与控制提供一定的理论基础。     

基于可靠度理论的索杆预张力结构支座节点施工误差分析

针对索杆预张力结构体系缺乏有效的支座节点误差分析方法及能指导实际工程的误差允许值的现状,基于可靠度理论和ANSYS软件分析平台,提出了该类结构支座节点误差的敏感性分析方法.进一步提出了基于正常使用极限状态下可靠度指标不低于1.5、索内力偏差不超过10%且满足正常使用极限状态搜索误差允许值的方法.最后结合一具体算例分析支座节点误差服从不同分布时的误差敏感性及误差允许范围.研究发现:支座节点各方向位置偏差产生不同的误差敏感性,且支座各向误差对各类杆件也具有不同的误差敏感性;通过搜索可分别获得不同误差分布状态条件下,同时满足可靠度指标不小于1.5、索内力偏差不超过10%且满足正常使用极限状态的支座节点误差允许值.     

关于索杆张力结构形态问题的认识和讨论

本文所讨论的索杆张力结构是由索和杆为基本构成单元、通过预应力提供体系刚度的一类空间结构体系，由于其结构构成和受力机理与常规结构有较大的区别，如何正确系统地认识和理解该类结构是目前科研和设计人员面临的重要问题，本文从结构形态的角度，系统地阐述了索杆张力结构设计的主要阶段以及各阶段需要解决的主要形态问题，同时进一步讨论各类形态问题的一般性分析方法和研究思路。     

基于误差控制的索杆张力结构张拉成型方案的选择

针对在索杆张力工程中普遍存在施工误差、同时又缺乏能有效控制误差效应的张拉方案选择技术现状,首先基于随机理论构建了杆件长度误差的数学模型,并通过分析索杆张力结构的自应力模态数和机构位移数提出了确定主动索数的基本思路;然后基于空间铰接索杆结构的三大方程构建预张力偏差与杆件长度偏差的基本关系,并在此基础上进一步构建了以主动张拉索索内力可精确控制条件下其余被动索索内力偏差与杆件长度偏差关系,由此来分析评价各张拉成型方案被动索杆内力偏差效应,进而提出能有效控制误差效应的张拉成型方案优选方法;最后以算例分析表明,通过机构分析可初步确定主动张拉索数,不同张拉成型方案具有不同的施工精度,实际工程中可结合施工条件优先选择施工精度高的张拉成型方案。     

基于灵敏度矩阵特征值的索杆张力结构主动张拉索优选方法

施工时合理选择主动张拉索是控制索杆张力结构预张力偏差的主要措施。以单元的预张力偏差平方和作为评价整体结构预张力偏差的指标,通过对反映单元预张力偏差与索长误差关系的灵敏度矩阵进行谱分解,将该指标表示为索长误差与灵敏度矩阵的特征值和特征向量的解析关系式,理论上解释了选择不同主动张拉索会使灵敏度矩阵特征值发生变化,从而直接影响到对结构预张力偏差的控制效果。由于灵敏度矩阵特征值具有衰减迅速的特点,故采用其一阶特征值和特征向量可有效估计结构的最不利预张力偏差。进一步以灵敏度矩阵的一阶特征值为评价指标,基于遗传算法提出了一种主动张拉索的优选方法。以一实际索杆张力结构为例,进行不同条件下的主动张拉索优选分析,其结果验证了优选方法的有效性。     

基于隐式-显式顺序求解的地铁隧道爆破开挖数值模拟

显式-隐式求解仅用于成形问题的数值模拟中,而隐式-显式求解则与之不同,结构隐式-显式求解可以广泛应用于工程问题,即结构的初应力状态对它的动力响应的影响。利用Ansys/ls-dyna软件基于隐式-显式的求解方法模拟隧道爆破开挖,并与未进行地应力初始化的模拟结果对比,得出对于城市浅埋隧道,爆破波的衰减与有无初始地应力关系不大。在模拟浅埋隧道爆破开挖时,不考虑初始地应力的方案可行。     

将弧长法应用于结构的几何非线性有限元分析

首先介绍了弧长法的发展及基本理论，随后根据笔者的研究，对其中的几个问题提出了相应的参考意见，最后给出了几个算例。     

基于时域显式随机模拟的隔震结构易损性分析研究

工程结构的地震易损性分析结果是结构抗震性能评价和地震灾害评估的重要依据，考虑地震激励的非平稳随机过程本质，采用随机振动方法来进行易损性分析更具合理性。针对带隔震基础的多层结构，提出基于时域显式随机模拟的隔震结构易损性分析方法。首先建立求解局部非线性运动方程的显式降维迭代列式，继而与随机模拟相结合，求解层间位移和隔震层位移的首超概率，最终考虑不同地震动强度得到隔震结构易损性曲线。算例结果表明，相比于传统蒙特卡罗方法，基于时域显式随机模拟的方法具有一致的计算精度和明显更高的计算效率，有利于隔震结构易损性分析的工程应用。     

地下厂房布置优化及施工过程的显式有限差 分法数值模拟

 在支护条件下模拟岩土工程的施工过程时,无论在二维还是三维数值计算方面,显式有限差分法连续介质快速Lagrange分析程序FLAC2D和FLAC3D具有明显优势。以雅砻江官地水电站地下厂房洞室群为研究对象,结合水电站地下厂房的主厂房、主变室和尾水调压室3大洞室平行布置的特点,并考虑模拟效率和计算成本,首先采用FLAC2D进行地下厂房3大洞室各种布局和间距方案的分析比较和优化,得到安全经济的方案;再利用FLAC3D对确定方案下厂房洞室群在支护条件下的施工过程进行三维模拟分析,计算得到在开挖过程中洞室围岩的变形、应力、塑性区分布以及支护结构的受力特征。这种综合利用FLAC2D和FLAC3D,对地下厂房布置优化和施工过程分别进行二维和三维显式有限差分数值模拟的计算方案合理可行,所得结果和规律可用于指导地下厂房的设计和施工。     

基于弧长法的钢筋屈曲承载力非线性分析

应用非线性有限元方法分析钢筋屈曲引起承载力退化的问题。使用弧长法对荷载—纵向位移(F—u)平衡路线进行全过程跟踪研究。分析混凝土结构中由于局部箍筋锈断导致受压区纵筋在未达到全截面屈服时发生非线性屈曲的规律。分析中考虑不同材料屈服强度、不同几何缺陷(初弯曲)和不同长径比对纵向钢筋承载力退化的影响。拟合大量分析结果,获得实用的F—u曲线方程式。试验研究对比表明,该实用曲线误差较小,可用于评价锈蚀钢筋混凝土结构剩余承载力。     

索杆张力结构静力位移的近似模态表达与间接测量

预应力贡献的几何刚度和材料贡献的线弹性刚度共同构成索杆张力结构的整体刚度,但既有结构中往往存在不可忽视的预应力偏差、甚至构件损伤,它们可能使结构刚度退化甚至失效.作为柔性结构,索杆张力结构的刚度性能应当被重点监测.而对控制荷载(工况)作用下既有结构的变形进行测量,是评价结构刚度是否发生变化的一个有效手段.但工程实践中一般很难对控制荷载进行大规模且精确加载,因而需要对结构变形进行间接测量.本文发现在给定荷载模式下,索杆张力结构的静力位移总是可以近似表示为少数相同模态(即贡献模态)的线性组合,结构参数变化对静力位移的影响主要体现在贡献模态线性组合系数的变化上,因此既有结构静力位移的监测问题可以转化为贡献模态组合系数的测量问题.本文还发现,通过测量某些满足一定条件的简单荷载所产生的位移,可以间接计算出控制荷载所对应的贡献模态组合系数,从而提高控制荷载所产生变形的测试效率.某Geiger索穹顶算例验证了静力位移近似模态表达式的准确性,以及基于简单荷载的静力测试来间接测量控制荷载所产生变形的可行性.     

索杆张力结构刚度监测的静力位移扩展法误差控制策略

贡献模态法是一种适用于既有索杆张力结构刚度监测的静力位移扩展方法。为了提高静力位移的测试精度,提出一种针对每一阶贡献模态广义位移进行专门测量的误差控制策略。采用蒙特卡洛法分析贡献模态广义位移的误差上界分布规律,发现贡献模态广义位移越大其估计误差上界越小。以最大化指定荷载某阶贡献模态的广义位移作为优化目标,采用Jaya算法寻找包含该阶贡献模态的最优测试荷载(包括作用位置和大小)。将最优测试荷载施加于实际结构进行静力测试,得到最优测试荷载作用下该阶贡献模态广义位移的估计值,再采用间接测量的方式进一步计算出指定荷载作用下该阶贡献模态的广义位移。针对指定荷载各阶贡献模态依次展开测试荷载优化以及广义位移间接测量,可实现指定荷载作用下静力位移的测试及其误差控制。某索穹顶数值分析结果表明,文中方法可以大幅降低竖向荷载作用下静力位移的测试误差上界,从而为索杆张力结构的挠度校核、模型修正、预应力识别等后续工作提供较多的高质量测试数据。