大跨度复杂钢结构施工力学模拟的研究与应用

随着我国经济的发展,大跨度空间钢结构的形式也日趋复杂,施工过程对结构的影响不能忽略.结构施工过程中的力学问题属于施工力学的范畴,是耦合了时间与空间的四维分析.采用施工力学方法对三个大跨度复杂钢结构工程进行施工过程跟踪模拟分析,同时将有限元计算结果同实际监测结果进行对比.研究表明:进行施工过程模拟分析不仅可以优化施工方案,而且可以保证施工过程中结构的安全并使成型结构的内力和变形满足设计要求.在此基础上,给出一些关于大跨度复杂钢结构施工的建议和意见,为施工力学学科的研究和发展提供了参考.     

SINO大型磨机吊装施工模拟分析

SINO大型磨机具有体积大和质量大的特点,根据钢管桁架刚度形成过程,基于有限元理论,对磨机吊装施工进行数值计算分析,并将施工现场动态监测值与数值计算分析进行对比。研究表明:该数值模拟方法是有效和准确的。在数值模拟计算的依托下工程顺利完成,证明该数值模拟方法可靠合理。     

CFRP约束竹条-薄壁圆钢管组合柱轴压性能研究

为延缓胶黏剂的失效,防止薄壁钢管过早发生屈曲,同时应对竹材防火、防虫、防腐性能差的缺点,提出一种CFRP约束竹条-薄壁圆钢管组合柱。制作9个短柱和4个长柱并对其进行轴心受压试验,继而基于验证后的有限元模型,分析竹条厚度、CFRP层数、钢管截面以及长细比对轴压性能的影响规律,在此基础上提出组合柱轴压承载力理论计算公式。研究结果表明：组合柱的破坏模式为柱中材料破坏、端部压溃破坏及整体失稳;组合柱的承载力随着竹条厚度和钢管直径的增加而增大,随着长细比的增大而减小;CFRP在中小长细比(λ_c≤50)组合柱中的环箍作用显著,但在大长细比(λ_c>50)组合柱中作用有限;组合柱发生整体失稳破坏的长细比界限值为19;各参数对组合柱承载力提升效率的影响不同。试验、有限元模拟及理论分析的结果吻合较好,承载力公式的计算结果与试验或有限元分析结果的平均误差均低于5.0%,最大误差均低于10%,说明轴心受压承载力计算公式具有较高的精度,适用于预测CFRP约束竹条-薄壁圆钢管组合柱的承载力。     

原竹保温材料界面黏结滑移性能试验研究

为研究原竹-保温材料界面的黏结应力与滑移分布,进行了12个试件的拉拔试验,研究了界面的破坏模式、黏结机理及影响黏结强度的因素,并给出了提高原竹-保温材料界面黏结性能的措施.结果表明:原竹-保温材料界面的黏结力由化学胶结力、机械咬合力及摩擦力3部分组成.原竹-保温材料界面的滑移过程可分为4个阶段:无滑移阶段、滑移阶段、摩擦阶段、后滑移阶段.保温材料包裹原竹的长度越长、原竹表面越粗糙、原竹直径越小,其界面黏结强度越大,其中原竹表面粗糙度的影响最大.对原竹表面进行粗糙化处理、选用直径较小的原竹、用保温材料将原竹全面包裹可提高原竹-保温材料界面的黏结性能.     

深圳湾体育中心钢结构施工非线性时变有限元分析

对于复杂大跨度空间钢结构,施工过程对成型后的结构受力状态影响较大。通过对施工力学模拟中常用分析方法的研究,提出采用节点修正生死单元法作为施工力学分析方法,采用节点修正正装迭代法确定变形预调值,并将该方法通过算例进行验证,继而应用于深圳湾体育中心钢结构的施工力学模拟中,理论计算结果与实际监测结果吻合较好。研究表明:节点修正生死单元法和节点修正正装迭代法限制了"死"单元的过大"漂移",可以很好的控制安装位形,计算精度良好,算法稳定,是结构施工力学分析和变形预调值分析的有效方法,适用于类似复杂大跨度空间钢结构的施工力学模拟。     

大跨度单层空间网格结构连续性倒塌动力效应分析及简化模拟方法研究

为评估大跨度单层空间网格结构的连续性倒塌动力效应,并确定此类结构静力分析时所采用的荷载动力放大系数,构建了单层空间网格结构抗连续性倒塌的单自由度子结构模型,推导出考虑初始状态下子结构在线弹性、弹塑性阶段的动力放大原理,通过数值算例分析验证了其正确性。提出适用于单层空间网格结构的连续性倒塌动力效应简化模拟方法,通过算例验证后给出单层网壳结构荷载动力放大系数的建议取值范围。研究表明:不考虑初始状态时,弹性阶段下的位移动力放大系数、荷载动力放大系数趋势保持一致;弹塑性阶段下,随着塑性的发展,荷载动力放大系数逐渐减小,位移动力放大系数逐渐增大。考虑初始状态后,虽然两个动力放大系数的变化趋势未发生改变,但值均显著减小,与理论分析结论一致,因此必须考虑初始状态的影响。此外,对于单层网壳结构,当DCR<0.7时,建议荷载动力放大系数取1.7~1.9;当DCR>0.9时,建议取1.4~1.6。     

单层空间网格结构抗连续倒塌的多尺度有限元模型分析

采用多尺度有限元模型对单层空间网格结构进行抗连续倒塌分析，综合了不同类型单元在有限元分析中的优点，有利于提高计算精度，合理确定不同类型单元之间的连接是确保其计算精度的关键。以两个单层空间网格结构的典型子结构拟静力试验结果作为校验，探讨了多尺度有限元模型在空间网格结构抗连续倒塌分析中的应用，提出了基于位移一致原则的不同尺度单元之间连接关系建立方法。以此为基础，完成了Kiewitt与Geodesic单层球面网壳的抗连续倒塌分析。研究结果表明：采用所提出的位移一致原则，连接界面与微观响应区域保持适当距离，可以得到结构计算的最优近似解；多尺度有限元模型在节约计算资源的基础上能够得到正确、合理的计算结果，采用刚性节点假定能够进一步减少模型的单元数量；多尺度有限元模型分析能够更为细致地显示局部应力分布，寻求网格结构失效的起始位置。此外，由多尺度有限元模型所建立的空心球节点，能较好地模拟结构的实际受力工况。     

基于竹材含水率的喷涂多功能环保材料-原竹黏结界面抗滑移性能试验研究

竹材含水率是影响喷涂多功能环保材料-原竹黏结界面抗滑移性能的重要因素。设计了2组共计6个试件,获取不同含水率下原竹喷涂环保材料后直径的变化规律。为研究原竹含水率以及原竹表面处理方式对黏结性能的影响,设计了9组共计27个试件,并进行了推出试验。结果表明:喷涂环保材料1 d后,原竹直径增大至极值,随后缩小,约30 d后趋于平稳。原竹含水率越高,原竹与多功能环保材料的黏结性能越差,原竹含水率为55%~65%时二者直接脱离,原竹含水率为15%~25%时二者抗滑移承载力最大。原竹表面处理后,二者黏结性能得以改善。其中,涂刷防水胶结剂增强效果最显著,包裹钢丝网增强效果较小,增设竹栓杆或者安装竹篾有一定效果,同时进行包裹钢丝网、涂刷防水胶结剂和安装竹篾既可显著增强二者黏结性能,破坏后承载力也不会急剧下降,钢丝网还可抑制喷涂多功能环保材料开裂,是一种较可靠的构造做法。     

西安东航维修基地新机库钢屋盖结构整体提升若干关键技术研究北大核心CSCD

西安东航维修基地新机库钢屋盖采用正交斜放焊接球空间网架体系。通过有限元分析,对提升点的设置和提升过程进行研究,确定了提升点位移差的限值,并对提升支架、网架辅助提升点、门头单元提升点以及混凝土柱的稳定性进行分析,保证了提升过程的安全。此外,考虑了替换提升超限杆件对结构的影响。研究表明:按照方案1的方法设置(在东西侧奇数柱处设置)提升点是合理的;提升点水平弹性刚度的取值仅和屋盖自重以及提升钢绞线长度有关;多质点有限元计算模型更加合理,结构在同步提升状态下受力和变形均满足规范要求,整个提升过程安全可靠;提升点位移差的警戒限值为15mm;提升支架、网架辅助提升点、门头单元提升点在提升过程中安全可靠;混凝土立柱提升平面内的稳定性可以通过在柱外侧施加预拉力来实现,增设柱间支撑则可以保证提升平面外的稳定性;替换超限杆件对结构安全提升效果明显,而且对设计状态下的整体结构影响较小,是切实可行的。     

喷涂保温材料-原竹骨架组合墙体抗震性能研究

喷涂保温材料-原竹骨架组合墙体是在原竹骨架外喷涂轻质保温材料制成。通过对喷涂保温材料-原竹骨架组合墙体试件进行低周反复加载试验,分析了试件的受力过程和破坏形态,研究了试件的滞回曲线、骨架曲线、承载能力、抗侧刚度及延性等抗震性能,并通过有限元分析比较了组合墙体和原竹骨架的抗侧承载能力,最后将试验结果与已有喷涂保温材料-冷弯薄壁型钢组合墙体的试验数据进行了对比分析。结果表明：喷涂保温材料-原竹骨架组合墙体具有较高的受剪承载力、抗侧刚度以及良好的抗震性能;组合墙体的抗侧承载能力为原竹骨架的2.9倍;与喷涂保温材料-冷弯薄壁型钢组合墙体相比,喷涂保温材料-原竹骨架组合墙体受剪承载力和抗侧刚度略有降低,但该组合墙体同样具有一定的推广价值。