单层球壳结构强震下倒塌模式的构件截面优化

以结构杆件重量最轻为优化目标,以杆件截面尺寸为优化变量,建立单层球壳结构倒塌模式优化模型。优化模型考虑长细比、挠度、杆件强度及稳定约束条件,保证优化后结构满足规范和规程要求,同时将构形度也作为约束条件,保证优化后结构在强震下呈现理想的、有征兆的强度破坏特征。针对遗传算法(GA)和模拟退火算法(SA)各自的优缺点,以遗传算法作为主体流程,将模拟退火算法的优化机制融入其中,建立遗传-模拟退火算法(GASA)。采用C++语言编写GASA计算程序,与APDL语言编写的有限元分析命令流相结合,得到GASA-ANSYS优化程序。采用该程序对跨度为70m的K6型单层球壳结构进行优化。通过对优化后结构进行构形易损性分析和地震动力时程分析,表明所提出的优化模型及优化程序能够解决大型单层球壳结构地震作用下倒塌模式的截面优化问题。     

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...     

球面网壳结构在强震下的失效机理

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。     

基于构形易损性理论的单层网壳结构静力稳定性研究

经典构形易损性理论基于结构初始构形度,无法考虑荷载、约束等外在因素,但网壳结构的稳定性却与上述因素密切相关。在经典构形度的基础上,该文创新地引入几何刚度矩阵,提出了可以考虑荷载条件、几何非线性及约束的节点构形度计算方法。在此基础上,分析引入几何刚度矩阵前后节点构形度的变化梯度,识别了球壳结构的最不利稳定荷载模式并揭示了失稳机理。最不利稳定荷载模式具有构形度变化梯度显著、稳定承载力最低的特征。对于球壳结构,顶点集中荷载为最不利荷载模式。点失稳、局部失稳以及整体失稳模态均与构形度变化梯度相联系。当受荷点及其周边节点构形度显著退化时,结构发生点失稳破坏,对应顶点集中荷载模式;当部分节点区域构形度明显退化时,结构呈现局部失稳的模态,对应半跨均布荷载模式;当所有节点构形度发生同等程度的退化时,结构发生整体失稳,对应满跨均布荷载模式。     

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     

基于有限质点法的单层球面网壳强震作用下连续倒塌破坏研究

有限质点法是以向量式结构力学为基础的崭新的结构分析方法。该文以该方法为基础,综合考虑结构的几何非线性、材料非线性和构件断裂,研究单层球面网壳结构在地震作用下的连续倒塌破坏全过程。该文介绍了有限质点法的基本理论,提出了该方法分析结构非线性问题和断裂问题的具体思路。采用直接输入法输入地震波,利用自编程序实现了单层球面网壳结构倒塌全过程模拟。研究了矢跨比对球面网壳强震作用下倒塌性能的影响,讨论了结构的倒塌时间和倒塌模式,并基于结构的倒塌模式通过局部加强法对单层球面网壳结构进行了抗倒塌设计。     

遗传算法在单层球壳质量优化中的应用

摘要: 经典遗传算法存在局部搜索能力不强,“早熟”现象和后期收敛速度放慢等缺陷,本文将自适应策略与“预选择机制”的小生境技术同时引入其中,加入小生境技术后可以避免陷入局部收敛的问题;在小生境遗传算法基础上加入自适应策略,实现对种群的杂交概率和变异概率进行自适应控制,从而形成一种改进小生境遗传算法,可以有效维持种群中个体的多样性,同时可以改善全局收敛的可靠性。通过三个典型算例验证了本文算法的正确性,并通过单层球壳的算例分析表明该方法稳定性好,全局搜索能力强,但在计算时间上长于ANSYS自带的优化模块。本文算法可以应用于优化变量繁多的大中型网壳结构截面优化问题,优化效果明显。     

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。     

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。     

遗传算法在单层球壳质量、刚度模糊优化中的应用

在单层球壳的优化设计过程中,必然会遇到大量的不确定性信息和因素,对这些不确定性因素应该使用模糊理论加以分析和处理。同时往往要考虑多个目标如质量最小和整体刚度最大等,而各个目标之间存在矛盾,要使各个目标都达到最优很困难。采用模糊数学的原理建立单层球壳多目标模糊优化模型,通过模糊判决法,将多目标的模糊优化问题转化为单目标的非模糊优化问题,最后利用小生境遗传算法(ANGA算法)对非模糊化的优化模型进行求解。对70 m跨单层球壳进行质量、刚度模糊优化,结果令人满意,验证了该方法的合理性和可行性,说明基于ANGA算法的模糊优化方法可以有效解决优化变量繁多的大中型网格结构多目标模糊优化问题。     

单层球面网壳考虑一致倒塌概率的倒塌安全储备分析

提出了考虑一致倒塌概率的单层球面网壳结构倒塌安全储备计算方法。以标准正态分布作为倒塌概率密度函数,采用指数型分布函数描述地震危险性,在假定网壳结构特大震倒塌率限值为10%的情况下,将两者积分得到了适用其50年内一致倒塌概率限值为0.46%,低于针对普通房屋建筑结构50年内一致倒塌概率1%的限值。在定义网壳结构特大地震强度水平的基础上,引入一致倒塌概率对其进行了修正。根据修正特大震强度,最终提出了针对网壳结构的倒塌安全储备系数（CMR）计算方法,这种做法可以使所做的抗倒塌设计更好地考虑到所有超越概率地震动水平,保证各抗震设防烈度下大跨网壳结构具备统一的倒塌概率限值要求。另外,通过谱形状参数对建议的倒塌安全储备计算结果进行了谱修正。针对三个算例网壳的增量动力分析对比了不同矢跨比和不同结构类型对倒塌安全储备以及50年倒塌概率的影响,三个算例结构均能满足倒塌概率限值的要求,50年倒塌概率与倒塌安全储备有较好的一致性。     

铝合金单层球面网壳的非线性稳定分析

以K8型单层球面网壳结构为例,采用有限元分析软件ANSYS进行建模和计算,对铝合金网壳进行了几何非线性稳定分析,讨论了矢跨比、荷载分布形式、初始缺陷和支承条件对网壳稳定性承载力的影响。通过与钢网壳比较,得到了一些关于铝合金单层球面网壳稳定性的结论,可为相关的工程设计提供参考。     

单双层球面扁网壳连续化方法非线性稳定理论临界荷载的确定

连续化方法是研究网壳结构稳定问题的一种重要途径,目前用连续化理论分析球面扁网壳的稳定问题还存在欠缺和不足。运用经典的壳体理论,将单层和双层球面扁网壳等代为实体薄壳并建立非线性稳定理论混合法基本方程,再用李兹法求出球面扁网壳上下临界荷载计算公式。通过参数分析,首次从1000多个算例中得出了正三角形网格单层和双层常用球面扁网壳临界荷载系数的精确解。与国内外现有文献的计算公式相比,结果更为完善和正确。即便在有限元技术日益成熟的今天,用连续化方法计算的网壳结构临界荷载仍然对工程设计有重要指导作用,也是有限元方法分析网壳稳定性的对比和补充。     

协同工作条件下地基土对单层球面网壳结构动力性能的影响

针对大跨空间结构与地基土协同工作问题,基于修正的S-R(Sway-Rocking)模型,建立单层球面网壳屋盖-支承结构-地基土协同工作的整体有限元模型,分析协同工作条件下不同地基土对单层球面网壳结构自振特性及地震响应的影响。研究表明,协同工作条件下单层球面网壳结构的自振周期随着地基土的变软明显增大,屋盖结构竖向振型提前。在地震作用下,单层球面网壳屋盖的杆件轴力和网壳节点最大竖向加速度随着地基土变软而减小;网壳节点的最大水平位移随着地基土的变软而增大,而最大竖向位移呈现减小趋势。     

薄壁扁球壳结构在撞击载荷下的变形控制方法研究

对薄壁扁球壳结构撞击刚性板的变形特性和控制方法进行了研究。使用LS—DYNA软件建立了薄壁扁球壳结构撞击刚性板的有限元模型，并通过试验结果对模型的有效性进行了验证。利用数值仿真方法，对薄壁球壳结构撞击刚性板的变形特性和动态响应特点进行了分析。针对薄壁扁球壳结构一种典型撞击性能的要求，利用变形控制和局部弱化等方法得到了符合要求的变形模式和加速度响应曲线。最后的试验结果验证了设计结构方案的正确性．该变形控制方法可应用于工程实际。     

层合中厚浅球壳受撞击时的非线性动力响应分析

建立了正交铺设层合中厚浅球壳在任一位置受撞击载荷作用的非线性运动微分方程,根据Hertzian定律,考虑撞击物与浅球壳之间的弹性接触效应,确定了壳体在其接触处所承受的冲击力。对此非线性动力问题,采用有限差分法与时间增量法求解。算例中,讨论了撞击物的速度、壳体中曲面曲率半径及接触点位置对壳体所受冲击载荷及其位移响应的影响。     

混凝土空间板柱结构震致落层倒塌的试验研究

开展了2个具有薄弱层的3层混凝土空间板柱结构模型的地震模拟振动台试验,采用加速度峰值逐级加大的El-Centro (NS) 波作为输入激励,直至薄弱层发生落层倒塌。量测了倒塌前、倒塌后模型各层的水平加速度响应,以及倒塌碰撞引发的薄弱层及其下层楼板的竖向加速度响应。模型M-2相比于模型M-1额外施加了附加配重。试验结果表明：1) 随着地震损伤程度的增加,模型的扭转效应有所增大;2) 倒塌前模型M-1和模型M-2的基本频率仅比初始值分别降低8.9%和4.7%,采用频率改变幅度进行结构倒塌预警可能是不现实的;3) 倒塌碰撞导致模型各层的水平加速度出现短时剧烈波动,波动期间模型M-1和模型M-2各层的绝对加速度最大值介于5g~10g之间,分别为倒塌前各层绝对加速度最大值的5倍~20倍和10倍~50倍;4) 倒塌碰撞引发的楼板竖向加速度高达30g~40g。