单层柱面铝合金网壳结构强震失效机理及地震易损性

通过有限元分析软件ABAQUS建立了单层柱面铝合金网壳结构的有限元分析模型,利用增量动力分析方法（IDA）对网壳结构进行强震作用下动力响应全过程分析,获得了单层柱面铝合金网壳结构强震失效模式。基于模糊数学理论提出单层柱面铝合金网壳结构强震失效判别方法,结合结构损伤理论拟合网壳结构强震损伤因子,通过大规模参数分析定义适用于铝合金网壳结构的损伤程度分级,对铝合金网壳结构不同损伤状态进行划分。通过随机抽样选取一定数量的结构-地震样本,对铝合金网壳结构开展地震易损性分析,通过回归分析建立地震易损性函数,获得单层柱面铝合金网壳结构的概率地震易损性曲线。结果表明：通过结构地震易损性分析可以看出铝合金网壳结构具有良好的抗震性能,在强震作用下保持基本完好或仅有轻微破坏的概率较大。     

单点连续冲击荷载下单层球面网壳结构失效模式研究

为研究单点连续冲击荷载作用下单层球面网壳结构的失效模式,应用通用有限元软件ANSYS LS-DYNA建立了40m跨度,四种不同矢跨比的K8型单层球面网壳结构有限元模型。通过分析单层球面网壳结构在单点连续冲击荷载作用下失效全过程的冲击荷载、能量转化和杆件变形特点,总结归纳出单层球面网壳结构在单点连续冲击荷载作用下的五种失效模式:网壳局部凹陷、网壳局部凹陷时杆件剪切破坏、网壳整体塌陷、网壳整体塌陷时杆件剪切破坏、杆件剪切破坏。对五种失效模式进行了全过程研究分析,明确了单层球面网壳结构在单点连续冲击全过程中肋杆、环杆、斜杆的破坏形式和能量传递与转化特点。     

单层网壳结构的耗能机理研究

为考察网壳结构在地震作用过程中各项耗能与网壳破坏之间是否存在内在联系,对网壳结构的耗能机理进行了研究。首先推导了地震作用下单层网壳结构各项耗能的计算方法,结合具体网壳结构分析了不同峰值的地震波作用下各项耗能的变化规律,并与位移和塑性杆件数两项指标进行了比较,最后讨论网壳破坏时各项耗能呈现的规律性特征。     

单层球面网壳结构抗连续倒塌设计

单层球面网壳冗余度较低,个别杆件失效容易引起结构连续倒塌。为提高单层球面网壳的抗连续倒塌能力,可以采用将单层网壳主肋设计为局部双层的方法。应用ABAQUS软件通过自编程序,考虑杆件失稳及失稳后行为,对比分析了采用局部双层前、后静力荷载作用下单层球面网壳极限承载力、节点位移和失效模态,以及采用局部双层前、后地震荷载作用下单层球面网壳极限承载力。分析了地震作用下局部双层厚度不同时单层球面网壳结构的极限承载力。分析结果表明,将单层球面网壳主肋设计为局部双层可提高网壳结构极限承载力,改变网壳失效模式。     

磁流变阻尼器在单层网壳结构抗倒塌设计中的应用

单层网壳冗余度低,个别杆件失效容易引起结构整体倒塌破坏,对结构施加半主动控制可提高结构抗倒塌能力。首先在ABAQUS中开发了磁流变阻尼器单元,对所开发的单元进行不同电压下力学特性测试,结果表明所开发的单元能够模拟磁流变阻尼器力学特性,可用于结构振动控制中。随后应用磁流变阻尼器单元对不同地震作用下单层网壳进行抗倒塌设计分析,结果表明,在单层网壳结构中增加磁流变阻尼器可减小地震作用下结构杆件应力和位移,提高结构抗倒塌能力。     

考虑下部支承效应的单层柱面网壳结构抗震性能研究

为研究下部支承对单层柱面网壳整体结构抗震性能的影响,建立了包含下部支承的整体结构有限元模型。通过增量动力分析方法对典型算例开展参数分析,分析了下部支承刚度、屋面荷载等参数对整体结构抗震性能的影响规律。结果表明：考虑下部支承与单层柱面网壳的耦合效应后,结构的自振频率减小,整体结构的刚度明显减弱;单层柱面网壳耦合体系的强震失效模式为强支承结构的网壳动力强度破坏与弱支承结构的支承动力强度破坏;随着支承刚度的增加,整体结构的承载力先减小后增大,网壳结构的塑性发展程度先增加后减小,下部支承结构的塑性发展程度逐渐减小;支承刚度越大,屋面荷载对结构承载力的影响越明显,整体结构的承载力随着屋面荷载的增加逐渐降低;考虑下部支承后整体结构的承载力降低了42.4%~85.5%,降低的原因主要包括下部支承结构的动力放大作用和柱间的不同步效应。     

单层鞍形网壳强动力荷载作用下的破坏模式

采用ANSYS程序,利用全过程分析方法对两种不同网格形式的单层鞍形网壳结构在强简谐、地震荷载下的动力响应规律进行研究,提取最大节点位移、应变能、进塑性杆件比例等多项响应指标,绘制其随荷载幅值增大的变化曲线,总结单层鞍形网壳的动力失效模式,剖析其失效机理,分析了地震作用下结构响应随矢跨比的变化规律.研究结果表明,两类网格的单层鞍形网壳均具有良好的抗震性能,在强动力荷载作用下发生动力强度破坏,可区分为脆性破坏和延性破坏两种失效模式.地震作用下结构破坏模式均为延性强度破坏.     

强震作用下K6型空腹球面网壳的动力失效分析

为了揭示强震下空腹球面网壳结构的动力失效机理,对一个跨度为100m的K6型空腹球面网壳结构进行了不同地震加速度下的全过程动力时程分析.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,研究该结构在强震作用下结构最大位移、进入塑性杆件比例、最大单元相对应变等特征响应指标的变化规律.分析结果表明:K6型空腹球面网壳在破坏之前已经历了较大的塑性发展过程,结构在塑性发展和位形变化的交互作用下产生破坏,其最终破坏形式趋于动力强度破坏.     

单层柱面网壳结构地震模拟振动台试验研究

本文通过对一单层柱面网壳缩尺模型进行小幅值正弦波扫频和不同强度的地震模拟振动台试验,系统研究了单层网壳结构自振特性、弹性及弹塑性抗震性能,观察其塑性发展过程和破坏特征,并采用ANSYS软件对试验结果进行了进一步的分析和验证。研究表明,网壳结构频谱密集,地震响应复杂,水平与竖向位移响应同一量级;强震作用下仍具有良好的抗震性能和较大的安全储备;破坏前经历较充分的塑性发展过程,破坏的真正原因是结构塑性发展和位形变化的交互作用;同时,试验数据与ANSYS的理论计算结果吻和较好,说明采用数值模拟方法对网壳这类复杂结构进行破坏机理的研究具有重要意义。     

双曲网壳地震作用下的双参数破坏准则

考虑网格形式和高跨比的变化,用有限元软件ANSYS对多个单层双曲抛物面网壳算例进行地震时程分析。采用全过程动力响应分析方法研究其失效特点,利用建筑结构基于位移和能量的双参数破坏准则的模式,将结构最大位移与塑性累积耗能进行组合建立了动力强度破坏的双参数准则,以动力破坏指标判定结构的动力破坏程度。与原有网壳结构动力破坏准则相比,应用双参数准则和动力破坏指标可以更有效地评价单层双曲抛物面网壳在地震作用下的动力强度破坏程度。     

近场与远场地震动作用下单层柱面网壳结构易损性分析

与远场地震动不同,近场速度脉冲型地震动具有瞬时能量大、幅值大、脉冲周期长等特点,但目前少有学者关注其对网壳结构的影响。以三向网格型单层柱面网壳为研究对象,采用40条近场速度脉冲型地震动及40条远场地震动作为输入,对9例网壳结构进行增量动力分析,基于分析结果建立网壳结构的概率地震需求模型及抗震能力模型,获得网壳结构的易损性曲线,并对比研究两组地震动作用下网壳结构的极限状态失效概率。结果表明：与远场地震动相比,近场速度脉冲型地震动会造成单层柱面网壳结构更为严重的损伤,且损伤指数的离散性更大;近场速度脉冲型地震动作用下单层柱面网壳结构的极限状态失效概率要显著大于远场地震动作用下的极限状态失效概率。     

基于精细化本构的单层柱面网壳强震失效机理研究

基于材料考虑损伤累积的精细化本构模型,通过全过程分析方法,考察材料损伤累积对结构抗震性能和失效特征的影响。结果表明,考虑材料损伤累积将显著降低结构的失效极限荷载;通过大规模参数分析,获得单层柱面网壳结构响应随不同的矢跨比、屋面质量、初始缺陷、长宽比和地震动的变化规律;随着矢跨比、屋面质量、初始缺陷的减小,结构的失效极限荷载显著增大,塑性发展范围更广,塑性发展程度更深;随着长宽比增加,结构的失效极限荷载显著提高;随着地震动荷载的改变,结构的失效极限荷载显著改变,并且失效极限荷载的大小与结构的塑性发展程度并没有显著的关联。     

基于应变能密度的单层球面网壳结构失效判定准则

进行基于应变能密度的单层球面网壳地震作用下工作行为分析,意在给出一个合理且较为精确的判断结构动力失效准则。首先,对理想单层球面网壳结构的对数应变能密度(LSED)、以及有初始缺陷的单层球面网壳结构的指数应变能密度(ESED)与加速度幅值(A)关系进行理论推导,给出单层球面网壳应变能密度的表达式,奠定判定其失效的理论基础。然后,应用通用有限元程序对典型单层球面网壳在地震荷载作用下的动力反应进行全过程响应分析,并时时提取出各级动荷载幅值下的所有单元的应变能密度。进而,进行结构应变能密度走向特征分析,揭示单层网壳结构的整体塑性应变能密度积累到一定程度时,结构应变能密度-地震加速度幅值曲线产生转折点。最后,据此特征提出基于结构能量密度的失效荷载判定准则,并与现有判定准则进行比较。     

基于纤维模型的单层球面网壳抗震倒塌反应分析

通过纤维模型对悬臂杆荷载-位移(P-δ)效应进行模拟,并与采用其他有限单元的模拟结果对比,验证时程纤维模型在模拟单层网壳结构杆件二阶效应变形以及塑性发展路径两方面的精确性。基于纤维模型和动力增量时程分析法,以倒塌边缘比(CMR)作为抗地震倒塌评估指标分析了单层球面网壳结构的初始几何缺陷、屋面荷载、结构矢跨比、结构跨度对抗地震倒塌能力的影响。     

冲击作用下单层柱面网壳的失效模式

为探讨单层柱面网壳在冲击荷载作用下的破坏过程、动力响应及失效模式,应用ANSYS/LS-DYNA建立20m跨度三向网格型单层柱面网壳模型,并对其进行冲击荷载作用下的全过程仿真模拟.通过对特定算例的分析,展示冲击荷载下网壳的破坏过程及结构的动力响应.根据结构破坏过程及最终形态提出单层柱面网壳在冲击荷载作用下的失效模式,并与单层球面网壳的分析进行对比.     

大矢跨比单层球面网壳动力试验模型弹塑性稳定分析

为了解水平地震作用下具有不同失效机制的单层球面网壳结构在静力荷载作用下的弹塑性稳定性能,利用有限元软件ANSYS,对两个矢跨比为1/2的单层球面网壳结构试验模型进行双重非线性全过程分析,获得结构的弹塑性极限承载力,比较二者的失稳模态,初步了解二者之间的差异。考察结构杆件屈曲、初始缺陷等因素对结构稳定性能的影响,并分析各因素对结构极限承载力的影响规律。结果表明,地震作用下,具有强度破坏特征的网壳结构在静力下的失稳模式表现为结构的整体失稳,而发生动力失稳破坏的结构则表现为局部失稳破坏。杆件失稳和初始缺陷使结构的临界荷载大幅度降低,且地震作用下属于强度破坏的单层球面网壳结构在静力下对初始缺陷的敏感性大于动力失稳破坏结构。     

杆件初始缺陷对单层凯威特球面网壳地震响应影响研究

为研究杆件初始缺陷对单层凯威特球面网壳地震响应的影响,利用OpenSEES有限元程序,采用多段梁法模拟杆件初始缺陷,给出了OpenSEES模拟空间网格结构圆管杆件滞回的多段梁法建模参数合理取值,基于GB 50017—2003《钢结构设计规范》中压杆稳定系数拟合了圆管等效偏心率和正则化长细比的关系式。考虑杆件初弯曲方向随机分布,建立了不同参数单层凯威特球面网壳模型,对网壳增量动力分析的最大位移进行了比较。结果表明：当网壳处于弹性状态时,杆件缺陷对其地震响应的影响可以忽略;当网壳进入塑性状态后,杆件缺陷对其地震响应的影响不可忽略,不同杆件初弯曲方向的网壳地震响应离散程度随地震动强度提高基本呈增大趋势;地震动强度较大时,考虑杆件缺陷和结构整体缺陷的单层网壳地震响应和仅考虑整体缺陷的单层网壳地震响应差异较大,两者最大位移的相对大小并无规律性,其关键影响因素为地震作用下塑性杆件分布的离散程度。     

强震下单层柱面网壳损伤及失效机理研究

基于结构损伤理论,对单层柱面网壳在强震下的失效机理进行研究。单层柱面网壳在强震下不仅会发生动力失稳,也可能由于过度塑性发展导致动力强度破坏的模式。对于动力强度失效的研究,应当在分析中考虑材料损伤累积以及断裂效应的影响。为在有限元分析中包含这一影响因素,编制了基于通用有限元软件ABAQUS的用户材料子程序,具有较高的计算精度和较好的收敛性。应用其对单层柱面网壳在强震下的响应进行参数研究,并与基于理想弹塑性材料时的响应对比,讨论考虑材料损伤对网壳失效特征的影响。将单层柱面网壳在强震下失效时刻的多项特征响应进行统计分析,拟合了能够表征网壳损伤程度的损伤模型,建立单层柱面网壳在强震下的失效判别准则。针对实际工程抗震设计中采用损伤累积本构模型计算的困难,提出网壳结构失效极限的简化判别方法。     

单层柱面网壳风致动力失效特征及简化分析

为简化网壳结构在风荷载下的弹塑性动力失效分析过程,提出了基于动力失效的等效静力风荷载的简化计算方法,使网壳结构的抗风设计同时满足强度和稳定性的要求.通过对单层柱面网壳结构进行风荷载下的静力、动力失效全过程分析,给出了综合Budiansky-Roth准则和Hsu S C准则的动力失效判别方法,以准确、有效地确定网壳结构的动力失效临界荷载系数.结合概念分析和定量计算,指出了风荷载下网壳结构的动力失效模式包括弹性动力失稳破坏、弹塑性动力失稳破坏和塑性动力强度破坏.对比网壳结构的静力、动力失效临界荷载系数,确定了基于动力失效的等效静力风荷载系数,可为网壳结构抗风设计提供参考.     

三维地震动作用下双层球面网壳的破坏机理研究（英文）

系统地研究了双层凯威特型球面网壳在三维地震动激励下的失效机理及破坏过程。将4种矢跨比的网壳作为分析对象,以其变形能力、屈服杆件数、应变能和应变等作为考察网壳结构动力特性的指标,选取了Taft,Kobe和El Centro这3条地震记录,深入研究了网壳结构在地震动作用下的破坏过程,给出了各矢跨比网壳杆件失效的先后次序,研究了4种网壳结构失效机理的异同之处。计算表明:尽管临界峰值加速度不同,但4个球面网壳的动力响应在一些方面表现出了共性,如网壳均经历了较深的塑性发展与损伤累积,最后均发生了强度破坏;网壳的失效机理与破坏过程却截然不同;进行抗震计算时,应根据网壳的动力特性与地震波的频谱特性合理地选择所需输入的地震波。研究结论可为双层球面网壳的设计提供借鉴与参考。