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。     

联方型单层球面网壳的地震响应

以40 m跨度的联方型单层球面网壳为分析对象,并以位移准则作为动力稳定性判别方法,分析了该网壳受地震作用下的动力响应,得到了联方型网壳结构达到失稳临界峰值后,继续施加荷载,网壳结构位移不会突增,不会因达到失稳临界值而突然倒塌的结论。     

Counter-intuitive collapse of single-layer reticulated domes subject to interior blast loading

A commercial finite element package, LS-DYNA, was employed to simulate the response of a single-layer reticulated dome to an interior blast. The dome, which was initially stressed by static preloading, encountered an interesting phenomenon namely counter-intuitive collapse, which was found during the blast analysis. The Johnson–Cook constitutive model for mild steel was used to identify different failure modes of the dome for more than 2430 samples. A seemingly counter-intuitive collapse was identified due to dynamic instability. This unusual collapse was explained using total potential curves, and the critical blast load was defined. The effect of different static preloads, which is the other determination factor of counter-intuitive collapse, was investigated. A relationship between collapse and static/dynamic loads was also obtained. The results indicate that single-layer reticulated domes, with large initial stresses, may collapse at lower dynamic loads than expected.     

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。     

屋面系统对单层球面网壳稳定性及地震响应的影响研究

单层球面网壳的静力稳定性及抗震性能已经取得较为系统的研究成果,但在传统的研究方法中,学者们只考虑结构部分,忽略了屋面板、吊顶、隔墙等非结构构件的影响;其中,屋面系统作为一类非结构构件,其平面刚度较大、在动力荷载下的阻尼也较大的特点会在一定程度上影响结构的受力特性。因此,选取考虑屋面系统的单层球面网壳作为研究对象,开展屋面系统对于单层球面网壳弹塑性稳定性及抗震性能的影响研究。采用有限元分析软件ABAQUS分别建立带屋面系统单层球面网壳和传统单层球壳的数值模型;通过弧长法分别对两种模型进行均布荷载作用下的非线性数值模拟,对比分析屋面系统对单层球面网壳弹塑性稳定承载力的影响;对考虑屋面系统的网壳结构进行不同地震荷载作用下的时程动力分析,采用基于响应的分析方法,考察屋面系统对于网壳结构抗震性能的影响,得到屋面系统会显著提高网壳整体刚度、增强结构抗震能力的结论;本研究可为以后网壳结构的理论研究及工程实践提供一定的参考。     

大跨度网壳结构强震失效机理研究

随着大跨度网壳结构近些年在重大工程中的大量应用,该结构在强震作用下的失效机理问题也逐渐突出,为空间结构学者所关注。在总结了近些年大跨度网壳结构强震失效机理领域的研究进展基础之上,介绍了适用于网壳结构强震失效机理分析的基于荷载域全程响应的分析方法,以及在该方法中引入材料损伤累积的研究过程;定义了网壳结构在强震作用下的两类失效模式,即由几何非线性引起的动力失稳和由过度塑性损伤导致的动力强度破坏;论述了基于模糊数学中模糊综合判断理论的判别网壳结构强震失效模式的方法;在此基础上,对网壳结构动力损伤模型的建立也进行了阐述,并对网壳结构在强震下失效极限的确定方法进行了总结。图5表3参20     

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。     

网壳结构强震失效机理关键理论问题

随着大跨度网壳结构近些年在重大工程中的大量应用,其在强震下的失效机理这一基础理论问题也逐渐突出,为空间结构学者所关注。为此,总结了近些年在网壳结构强震失效机理领域的一些研究进展,介绍适用于网壳结构强震失效机理研究的基于多重响应的荷载域时程分析方法,阐述网壳结构在强震下的两类失效模式及其失效机理。在此基础上,对在网壳结构强震失效机理分析中的三个重要效应,即材料损伤累积效应、地震动空间变化性效应、下部支承结构影响,分别进行讨论及总结。     

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。     

北京新机场装配式单层铝合金网壳结构整体稳定性能研究

以北京新机场装配式单层铝合金网壳结构作为研究对象,建立了其装配式节点——板式节点及考虑节点性能的单层铝合金网壳的有限元模型,分析了板式节点的力学性能及节点性能对单层铝合金网壳稳定性能的影响。研究表明：板式节点刚度良好,破坏表现为不锈钢拉铆钉剪切破坏、连接板拉剪破坏和杆件在螺栓孔处承压破坏;北京新机场装配式单层铝合金网壳结构的整体稳定性能良好,承载力约为刚接网壳结构的90%,满足JGJ 7—2010《空间网格结构技术规程》的要求;由于铝合金材料无明显的屈服台阶,弹性模量较小,考虑几何非线性和材料非线性的稳定承载力比仅考虑几何非线性的稳定承载力降低约30%,结构发生弹塑性失稳,结构失稳形态表现为网壳结构在靠近长轴右端出现凹陷。     

下部支承结构对网壳结构强震响应的影响研究

总结了关于考虑下部支承影响的网壳结构强震失效研究的最新研究成果。介绍了基于响应的荷载域全过程分析方法;通过建立精细化的数值模型,对考虑下部支承结构的单层球面网壳在强震作用下的特征响应进行了分析,得到了考虑下部支承结构的单层球面网壳在强震作用下的失效特征;通过大规模参数分析,详细地阐述了下部支承结构对网壳结构失效极限荷载的影响;提出了对于耦合体系的简化分析方法并初步研究了非线性下部支承结构对网壳结构失效的影响;讨论了下部支承结构非线性对网壳结构响应的影响。研究表明,非线性材料的支承结构也将明显改变耦合体系的响应规律及失效模式。     

正交正放单层鞍型网壳在强震下的失效研究

对跨度40m正交正放单层鞍型网壳在强震作用下的失效机理进行研究。通过典型算例探讨结构在强震作用下的响应特征,考察结构的节点位移、不同屈服程度杆件比例、不同失效程度杆件等多项结构响应随荷载强度递增的变化规律;可认为单层鞍型网壳在强震下发生明显的动力强度破坏,综合结构的典型响应提出一种失效极限荷载的确定方法。在系统参数分析的基础上,讨论高跨比、屋面质量、初始缺陷等因素对结构失效极限荷载的影响规律,并讨论考虑下部支承结构刚度因素对上部鞍型网壳强震失效极限荷载、失效模式的影响规律。     

Failure mechanism of single-layer saddle-curve reticulated shells with material damage accumulation considered under severe earthquake

This paper presents the study on failure mechanism of single-layer saddle-curve reticulated shells subjected to severe earthquake. Failure mode of single-layer saddle-curve reticulated shells is illustrated with the consideration of material damage accumulation. The effects of different parameters on failure characteristics of single-layer saddle-curve reticulated shells are discussed. The influence of substructure upon failure behaviors of single-layer saddle-curve reticulated shells is particularly investigated. It is observed that dynamic strength failure is the failure mode of single-layer saddle-curve reticulated shells. The substructure has great influence on failure characteristics of single-layer saddle-curve reticulated shells subjected to the severe earthquake.     

Failure mechanism of single-layer steel reticular domes with reinforced concrete substructure subjected to severe earthquakes

This paper performs the research on failure mechanism of single-layer steel reticulated domes with the reinforced concrete substructure subjected to sever earthquakes. Based on ABAQUS, this paper built user-defined material subroutines of the steel and the reinforced concrete, which took material non-linearity and the material damage accumulation into consideration. The failure mechanism of reticulated domes with reinforced concrete substructures under severe earthquakes is studied by the nonlinear dynamic response analysis. Three different failure modes of single-layer reticular domes with different sizes of reinforced concrete substructure are illustrated. Failure criterion is put forward to discriminate the failure modes and to estimate the critical load strength for single-layer reticular domes based on the structural damage theory. It has been found that reinforced concrete substructure has significant impact on the failure behaviors and the critical load of reticulated domes under seismic loads. It is essential to consider the influence of the reinforced concrete substructure upon the failure behaviors in the structural analysis and design process of reticular domes.     

非对称荷载对大跨度非规则单层网壳结构性能的影响

以某大跨度非规则单层网壳为研究背景,应用ANSYS通用有限元分析软件对网壳结构进行了建模并重点模拟了风荷载、雪荷载、温度效应等多种非对称荷载作用,进行了静力分析、特征值屈曲分析以及非线性稳定分析。得到了网壳结构在15种典型荷载组合下的内力、位移结果,分析了非对称荷载对网壳结构静力性能的影响;考虑了几何非线性、材料非线性、初始缺陷,得到了网壳结构在非对称荷载作用下的稳定系数,分析了非对称荷载对网壳结构稳定性能的影响。强调指出非对称荷载作用在大跨度单层网壳结构设计中的重要性,为大跨度非规则单层网壳设计提供参考。     

网壳结构失效机理研究现状

网壳结构的倒塌模式及失效机理研究一直是土木工程界研究的热点。对国内外网壳结构在静力和动力作用下的失效机理研究现状进行了总结和归纳。通过非线性有限元分析,能够精确模拟网壳结构在静力作用下的失效模式及极限承载力;通过动力时程分析,能够模拟网壳结构在特定动力荷载作用下的失效模式,对网壳结构失效模式判别的方法进行了评述,提出了建议从鲁棒性、易损性、冗余度及连续倒塌等多个方面进行深入探讨,建立一个合理的网壳失效判别准则。     

K6型单层网壳极限承载力对杆件失效的灵敏度分析

基于Frangopol提出的冗余度计算方法和考虑双重非线性的全过程分析方法,应用有限元软件ANSYS对一个K6型单层网壳进行了极限承载力灵敏度分析,得出了该类型单层网壳的极限承载力对于杆件失效的灵敏度值。在此基础上,提出了一种防止网壳连续倒塌的有效措施,即加强具有低冗余度（高灵敏度）的杆件以提高其冗余度,从而降低整个单层网壳结构连续倒塌的概率。     

Wind loading and its effects on single-layer reticulated cylindrical shells

In this paper, the wind load distribution as well as its effects on single-layer reticulated cylindrical shells, which are widely used in practice, is investigated. At first, wind pressure distributions on three rigid cylindrical shell models considering different shape ratios are measured simultaneously in a wind tunnel. Some special characteristics of the measured wind pressure, especially its fluctuating component, are discussed. Then, considering the special structural mechanical behaviors, the effects of wind load, especially the fluctuating component, on the limit load-carrying capacity and the stability of the shells are investigated by both equivalent static analysis and dynamic analysis. Suitable methods to get a reasonable estimation of wind load effects in estimating the equivalent static wind load distribution for such shells are investigated. Finally, with comparison analyses using different methods mentioned in this paper, the efficiency of the method in estimating the effective wind load distribution presented by the authors previously for single-layer reticulated spherical shells is demonstrated, and some advices for estimating the wind load distribution on single-layer reticulated cylindrical shells is given for wind-resistant design in practice.     

K6型单层球面木网壳稳定承载力非线性分析

针对4组不同节点构造、矢跨比的木结构网壳试验模型,采用ANSYS软件中的Beam189非线性梁单元模拟连接节点的半刚性特征,开展基于多段梁模型的网壳承载力全过程非线性有限元分析。通过对比有限元与试验结果在荷载 位移全过程曲线、破坏模式以及极限承载力等方面的吻合度,判断多段梁方法在木结构网壳稳定性分析上的可行性。研究发现：多段梁方法与试验结果较吻合,多段梁分析方法可有效揭示木网壳的破坏机理;矢跨比是影响单层木网壳破坏形式的主要因素,大矢跨比易出现强度破坏,小矢跨比易出现稳定破坏,节点刚度对小矢跨比模型的影响程度更加明显;弹塑性分析时,木结构网壳的极限承载力建议按弹性多段梁有限元分析承载力的40%取值。研究成果以期为木网壳非线性稳定承载力的进一步研究提供借鉴。     

单层球面网壳在简单动荷载作用下的失效研究

本文同时考虑了几何非线性与材料非线性,对单层球面网壳结构在简谐荷载、阶跃荷载作用下进行了动力响应分析。通过对极限荷载、最大节点位移及塑性杆件比例这些重要参数的统计、分析和归纳,剖析了单层球面网壳结构在简单动荷载下的失效机理。同时,通过比较刚度矩阵,进一步研究了结构在动载与静载下的失效差别。