基于性能的单层球面网壳结构强震损伤模式优化

为避免强震作用下单层网壳损伤集中模式对结构整体稳定性的不利影响,根据地震作用下网壳稳定承载力和整体损伤的变化过程,定义了两个抗震性能指标作为目标函数,并以杆件截面尺寸为优化变量,采用ABAQUS软件对单层球面网壳结构的强震损伤模式进行了多目标优化,并对优化前后结构的动力响应和损伤演化进行分析.结果表明:考虑杆件重要性系数的单层网壳整体损伤指标能够有效识别强震作用下单层网壳结构损伤模式,经过优化后的单层网壳结构损伤集中模式得到有效控制,不同位置的杆件损伤分布更加均匀.本文的优化方法能够明显提高不同强震作用下网壳结构的剩余稳定承载力.     

工字形铝合金偏心压杆平面内稳定承载力研究

运用ANSYS软件对常用的铝合金挤压型材偏心压杆的平面内稳定承载力进行了研究,分析了不同长细比和偏心率杆件的稳定性能,并讨论了残余应力与初弯曲对杆件承载力的影响.研究结果表明:除相对偏心率很大及长细比很小的情况外,工字形截面偏心压杆受拉翼缘不会进入塑性状态;初弯曲对杆件的影响随长细比和弯矩的增大而减小;铝合金挤压型材残余应力峰值很小,对杆的承载力影响不大,可忽略不计.在大量数值分析的基础上,拟合出了工字形铝合金偏心压杆的平面内稳定计算公式,可供工程设计参考.     

基于增量动力分析方法的单层球壳结构强震损伤分析

为研究地震作用下空间网格结构的倒塌过程及其破坏行为,进而揭示结构的倒塌机理,基于增量动力分析方法(dynamic analysis method, IDA),以单层球面网壳结构为研究对象,考虑材料损伤累积效应,模拟网壳结构在地震作用下的倒塌过程,并分析不同杆件截面尺寸、矢跨比、初始几何缺陷、支座约束数量等参数对结构抗倒塌能力的影响。结果表明:强震作用下,考虑损伤后网壳结构的动力极限承载力比未考虑损伤时其极限承载力下降了20%左右,塑性单元比例上升10%左右;其他参数一定时,加强杆件截面以及矢跨比的减小,均能提高网壳的动力极限承载力,网壳对初始几何缺陷十分敏感,缺陷为跨度的1/100时其极限承载力比完整结构降低30%左右,支座约束减半后,损伤累积效应使结构的地震承载力降低10%左右。因此在结构设计之初,应考虑材料损伤累积效应的影响。     

考虑杆件初弯曲的单层球面网壳稳定性能

基于通用有限元软件ANSYS及自编的前后处理程序,针对是否考虑杆件初弯曲的单层球面网壳结构进行对比分析.采用随机缺陷模态法进行了考虑杆件初弯曲的2800余例K8型单层球面网壳的弹塑性荷载-位移全过程分析,掌握了弯曲角度、幅值随机变量对网壳稳定性能的影响规律.论证了一致缺陷模态法和特征缺陷模态法计算杆件初弯曲对网壳极限承载力影响的适用性.提出了适用于计算考虑杆件初弯曲影响的网壳极限承载力修正的一致缺陷模态法.采用修正的一致缺陷模态法进行了300余例考虑杆件初弯曲的K8型单层球面网壳的弹塑性全过程分析.结果显示:采用修正的一致缺陷模态法可以计算考虑杆件初弯曲的单层球面网壳极限承载力的最小值.杆件初弯曲能够降低单层球面网壳的极限承载力,并改变其屈曲模态和塑性发展分布.当最大允许初弯曲为杆件长度的1/1 000时,网壳极限承载力最大下降5%以上;当最大允许初弯曲为杆件长度的2/1 000时,网壳极限承载力最大下降10%以上.     

塑性破坏模式下桁架杆件重要性评价与优化

为使结构易损性分析更符合实际破坏情况,考虑了材料的塑性性能,提出了桁架结构杆件塑性重要性系数的计算方法,进而实现桁架的优化设计.首先假设杆件为弹塑性材质,以刚度损失定义杆件的塑性状态及破坏模式,采用附加荷载来考虑塑性阶段的结构承载力;其次建立桁架结构刚度矩阵与变形刚度矩阵之间的关系,寻求杆件位移与变形的内在联系,由此推导杆件塑性重要性系数;最后,通过预先假设桁架受力最不利情况和破坏模式,基于前述塑性重要性系数计算,实现桁架杆件的优化.通过一榀平面桁架算例说明了考虑材料塑性性能时得到的重要性系数值与仅考虑弹性性能有所区别,桁架失效模式更合理.同时桁架结构优化后,可以充分利用各杆件的抗力.     

基于空间网壳结构杆件损伤识别的传感器布置方法

传感器的布置与优化问题是目前空间网壳结构健康监测研究的热点与难点.以结构杆件损伤识别为目标,以结构杆件应力监测数据为基础,通过对空闻网壳结构损伤特征、健康监测工作方武以及在静力作用下杆件内力变化特点的分析与研究,提出适合于在役空间网壳结构杆件损伤识别的传感器布置原则和方法.同时也指出,该方法的应用需要先保证结构计算模型...     

网架结构抗灾害能力研究

为避免结构过早出现因局部破坏而造成整体失效的情况发生,对网架结构在竖向荷载下的受力状况进行了分析,并采取加强重要杆件截面的措施,使结构的极限承载力得到了显著提高.所提高的承载力对抵御超越荷载有一定的积极作用,增强了网架结构抗灾害能力.     

张弦巨型网格结构布索方案研究

针对由张弦梁概念和巨型网格结构组合而成的一种新型超大跨空间结构,提出了5种可能的索杆布置方案.研究了矢跨比对不同布索方案结构变形的影响,并对同一矢跨比下各布索方案结构的最大挠度、杆件内力峰值、支座水平反力、挠度和内力分布情况、稳定承载力及失稳模态等方面进行了综合分析,且与同样形式未布索结构作比较.结果表明,预应力体系的引入可以显著改善巨型网格结构的整体变形、杆件内力峰值和整体稳定承载力.在各方案中,拉索交叉的索杆对称布置于立体桁架拱跨中大部分范围(非满布)的布索方式能最有效地改善结构静力与稳定性能,为最佳方案.     

承插型盘扣式钢管支撑脚手架试验及有限元分析

为了研究其受力性能,设计出3种不同斜杆布置的单元架体,并进行了足尺试验研究及有限元计算。结果表明：斜杆为对角布置时较为合理,且不易使单元架体发生水平倾倒及竖向屈曲失稳;在杆件受力方面,立杆主要是受力杆件,竖向斜杆与水平杆主要是构造杆件,保证整体架体几何不变.运用ABAQUS对试验架体进行模拟,模拟结果与试验结果吻合较好;运用有限元对节点刚度分析可知,节点刚度处在10⁶～10⁹ N·mm∕rad之间时对承载力的影响较大,进而对承载力—节点刚度曲线进行非线性拟合并对比试验值得出节点刚度建议值为38.1 MN·mm∕rad;分析水平杆步距、立杆间距可知,水平杆步距的增加对架体承载力的影响更为显著,建议在工程设计计算时考虑水平杆步距对支撑架体承载力的影响.     

杆件屈曲对单层球面网壳结构稳定性的影响

为研究杆件屈曲对单层球面网壳结构整体稳定性的影响,采用非线性有限单元法,在考虑节点缺陷和杆件缺陷的基础上,通过削减K8型单层球面网壳结构一径向不同位置处的杆件截面使其在网壳结构发生整体失稳之前屈曲,分别在静力载荷和地震载荷作用下,研究不同位置处的杆件屈曲对K8型单层球面网壳结构整体稳定性的影响.研究结果表明:在静力载荷作用下,不同位置处的杆件屈曲会不同程度的降低网壳结构极限承载力;在地震载荷作用下,单根杆件结构的首先屈曲会使网壳结构刚度降低.     

钢管混凝土哑铃型轴压构件极限承载力有限元分析

提出了钢管混凝土哑铃型轴压构件极限承载力的有限元计算方法.有限元建模中,钢管与腹板采用壳单元,混凝土采用实体单元.对试验构件的分析表明,有限元计算值与试验值吻合良好,腹腔内的混凝土受钢管紧箍力作用的影响很小,其应力-应变关系可按普通混凝土考虑.应用有限元计算方法,对哑铃型钢管混凝土构件的极限承载力进行了参数分析.结果表明,腹板间距的增加对极限承载力的提高呈非线性增长,腹板高度的增加与极限承载力的提高基本上呈线性关系.相比较而言,腹板间距增加对构件极限承载力的提高的影响要大于腹板高度的增大对其的影响.在参数分析的基础上,对其简化计算方法的比较表明,简单迭加法比等效单圆管法与试验值和有限元计算结果更为吻合、也更安全.     

钢筋混凝土箱拱面内受力全过程试验研究

进行了钢筋混凝土箱拱面内受力全过程试验.应用通用程序ANSYS建立了钢筋混凝土箱拱的非线性有限元模型,对模型拱面内受力全过程的非线性受力性能进行了分析.对结构破坏模式进行了探讨,并采用极限分析简化算法对极限承载力进行了计算.研究表明,在面内两点非对称荷载作用下,钢筋混凝土箱拱的破坏模式与实肋板拱相似,均属于以材料非线性为主的二类稳定问题.进行钢筋混凝土箱拱的极限承载力计算时,不可忽略几何非线性的影响,应用有限元法分析时应考虑双重非线性的影响.钢筋混凝土箱拱的结构破坏模式满足刚塑性假定,其极限承载力也可用极限分析法进行简化计算,其结果偏于安全.     

35 kV输电线路复合横担极限承载力研究

近年来,复合材料逐渐被广泛应用于输电杆塔横担结构中,为了研究复合材料横担的极限承载力,本文对35kV复合材料横担进行了极限承载能力试验,得到各个测点在不同横向载荷作用下的位移和应变;建立该复合横担的有限元模型,通过计算得到相应测点的位移和应变结果;结合试验与仿真结果,分析了复合横担在横向载荷作用下的变形规律;通过分析根部压接对复合横担极限承载能力的影响,提出了一种新的法兰与复合材料芯棒的连接方式。研究结果表明：当横向载荷达到16.91kN时,芯棒上表面与法兰开始脱离,当横向载荷达到29.81kN时,复合横担根部发生失效;结合仿真与试验结果,证实了复合横担根部压接脱离是决定复合横担极限承载力的重要因素之一;提出的新型根部连接方式可以有效提升复合材料横担的极限承载能力。     

初应力对钢管混凝土哑铃形轴压短柱受力性能影响的试验研究

进行了有初应力的钢管混凝土哑铃形轴压短柱试件的试验研究,分析探讨了初应力对其力学性能的影响及其极限承载力的计算方法.分析结果表明,初应力使弹塑性阶段提前、弹性极限荷载降低,同时峰值极限荷载推迟出现,构件切线刚度降低.但初应力对钢管混凝土哑铃形轴压短柱的峰值极限荷载影响很小,可以采用与无初应力构件相同的方法计算.     

空钢管桁肋式拱桥主拱部分极限承载力分析

运用大型有限元软件ANSYS,同时采用3种分析极限承载力的方法(线性屈曲法,几何非线性法与同时考虑几何非线性和材料非线性法),对设计中的空钢管桁肋式拱桥———湘江特大桥主跨的主拱进行极限承载力计算分析.分析结果表明,在计算空钢管桁肋式拱桥极限承载力时考虑双重非线性方法求解极限承载力得出的结果比线性方法更符合实际情况.     

下套拱加固石拱桥复合拱圈极限承载力研究

下套拱加固石拱桥形成的复合拱圈由石块、砂浆、混凝土和钢筋四种材料组成,而且属于二次受力结构,受力复杂.采用分离模型和整体连续体模型相结合的方法,提出复合拱圈的极限承载力有限元计算方法.有限元计算结果与试验结果吻合良好,表明有限元计算方法能够反映复合拱圈的受力性能.应用该方法,对某实桥进行了分析,结果表明,复合拱圈在半跨均布活载和L/4集中活载联合作用下的破坏模式为四铰破坏,第二个铰出现时荷载已达极限荷载的77.9%.复合拱圈的极限承载力随着集中活载占总活载的比例的增大而减小,随加固层厚度和配筋率的增大而增大.加固层混凝土的强度对复合拱圈的极限承载力影响较小,因此,加固层不必采用高强混凝土.     

竹木组合工字梁的静载试验研究

以竹集成材为翼缘、欧松板为腹板设计竹木组合工字梁,对10根不同结构的工字形截面竹木组合梁进行了4点弯曲静载试验。研究剪跨比及加劲肋等参数对组合梁破坏形态、强度和延性等影响。结果表明:腹板和翼缘具有很好的协同效果,组合梁的破坏始于侧向失稳,主要破坏形态表现为翼缘内欧松板层裂及腹板被剪坏。组合梁的极限承载力随着剪跨比的增大呈下降趋势; 竹加劲肋能显著提高工字梁的极限承载力,提高幅度最大为15.7%,对极限位移最大增加幅度约为10.13%。     

帽形加劲复杂卷边槽钢柱轴压性能试验研究

对18根板件中间加劲复杂卷边槽钢简支轴心受压试件进行了承载力试验研究,其中包括有截面形式、试件长度等方面的变化,研究了板件中间加劲对构件承载能力和破坏模式等方面的影响.试验结果表明:板件帽形加劲可以大大提高构件的稳定承载力.与普通复杂卷边槽钢构件相比,在相同条件下采用板件帽形加劲的构件其承载效率提高了大约10%~40%,其破坏模式变为以畸变屈曲为主要控制因素的畸变及其相关屈曲的破坏.同时利用有限元软件模拟相同试件的承载力和破坏模式,与试验结果吻合良好.     

高强钢绞线网聚合物砂浆加固钢筋混凝土板抗弯试验研究

通过4块钢筋混凝土板采用高强钢绞线网聚合物砂浆加固前后的对比试验,分析不同损伤程度的钢筋混凝土板加固前后的刚度、开裂及裂缝分布、极限承载力等性能.结果表明:加固后板的开裂荷载、抗弯刚度和极限承载力都有明显提高;提出的简化计算方法能够比较准确地预测板的极限荷载和挠度,可用于钢筋混凝土板的加固设计.     

Simplified Algorithm for Out-of-Plane Critical Loads of CFST Solid-Rib Arch

The simplified algorithm for out-of-plane ultimate loadcarrying capacity of concrete-filled steel tubular( CFST) solid-rib arches under uniform vertical load was studied. The experimentally validated finite element model was developed. The out-of-plane equivalent length coefficients of solid-rib arches were obtained using out-of-plane elastic eigenvalue buckling analysis. Then the out-ofplane elastic stability coefficient was plotted against the normalized slenderness ratio,and the out-of-plane eigenvalue buckling load or elastic buckling capability of arches was calculated. Lastly effects of different parameters on the out-of-plane ultimate load-carrying capacity of CFST solid-rib arches were determined using geometric and material nonlinear finite element analysis, and a simplified algorithm was established by fitting the out-of-plane elastic-plastic stability coefficient and normalized slenderness ratio using PerryRobertson formula. Ratio of the elastic stability coefficient to the elastic-plastic counterpart was plotted against the out-of-plane normalized slenderness ratio,from which the out-of-plane elasticplastic ultimate load-carrying capacity was determined according to the corresponding elastic buckling load. Results show that the proposed simplified algorithm can accurately predict the out-of-plane eigenvalue buckling load and the elastic-plastic ultimate loadcarrying capacity of the CFST solid-rib arches.