考虑损伤累积效应的钢框架结构抗震分析与设计

为了在强震分析中考虑钢材损伤累积效应的影响,应用塑性应变和能量损耗理论建立了钢材的损伤模型,对一个9层Benchmark结构进行考虑损伤累积效应的地震分析．通过对比分析,表明考虑材料损伤累积效应因素后,结构塑性阶段的动力反应变大,损伤指标增加,损伤程度提高1个等级．针对结构在强震中考虑损伤累积效应的反应特征,通过布置斜撑对薄弱层进行了加强,使首层的动力响应和损伤程度均大大减小,上层的损伤指标虽有所增加但损伤状态变化不大．     

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。     

考虑损伤累积的双层柱面网壳弹塑性动力稳定分析

针对动力荷载作用下双层柱面网壳结构考虑损伤累积效应的动力稳定问题,应用有限元方法进行了研究。建立了钢材考虑损伤累积的本构关系模型,并通过对动力时程计算时不同子步弹性模量和屈服强度的不断修正,获得了考虑损伤累积的双层柱面网壳的动力响应,进而对结构进行了动力稳定分析。     

基于累积塑性应变的结构多维易损性分析

将拟力法的概念运用于能量平衡方程而提出累积塑性应变,其表示为塑性耗散能需求与耗能能力之比.塑性耗散能反映了结构在地震作用下的损伤累积效应,作为构件层次损伤指标的累积塑性应变也考虑了损伤累积效应.建立基于最大层间位移角的易损性曲线,假定一系列累积塑性应变阈值,通过易损性曲线吻合度确定与全局性能水准相对应的局部损伤状态,即累积塑性应变阈值.以累积塑性应变和峰值层加速度响应作为结构构件和非结构构件的工程需求参数,在多维易损性理论框架下建立二维性能极限状态方程和概率地震需求模型,进行易损性分析,并分别讨论加速度阈值、工程需求参数和性能极限状态相关性对易损性的影响.     

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.     

斜拉单层柱面网壳地震响应及失效特征

在双向网格型单层柱面网壳结构面内及面外布置拉索有效地增强了网壳结构刚度,提高了结构的承载能力,前期已针对斜拉单层柱面网壳结构的静力稳定性进行了系统的研究,但有关该结构的地震响应研究还不够充分.本研究基于上述静力稳定性研究成果,通过ANSYS有限元软件对斜拉单层柱面网壳结构进行了动力失效分析,并利用本文提出的应变能响应分析方法考察了网壳结构动力失效时的特征.通过网壳杆件进入塑性比例、杆件进入塑性程度、结构关键节点位移等随加速度幅值的全过程响应分析探讨了结构的破坏形式;并结合动力破坏指标,进一步讨论了不同初始条件下网壳结构的动力失效模式,揭示了结构的动力失效机理.结果表明:拉索的布置形式有效增强了双向网格型单层柱面网壳结构的延性,网壳结构破坏前即使在经历了深刻的塑性发展后仍可保持稳定状态,直至全截面进入塑性杆件数量的突增使结构刚度明显降低,结构发生倒塌破坏.     

混凝土弹塑性损伤本构模型的动力扩展

在静力弹塑性损伤实用本构模型的基础上,通过将损伤能量释放率阀值粘滞化,建议能考虑应变加载速率影响的实用本构模型.并将阻尼应力引入到本构模型中,使得建议的模型能直接在材料层次考虑刚度阻尼耗能影响.在此基础上,引入受拉塑性应变,延缓受拉损伤的发展,提高模型的稳定性.推导了该模型的计算公式并给出了详细数值算法,将建立的本构模型在ABAQUS中二次开发,通过对Koyna重力坝动力隐式分析表明:刚度阻尼的能量耗散作用能显著增强动力隐式分析的稳定性,引入受拉塑性应变后能增强模型数值稳定性,提高模型计算效率,同时应变率效应对结构的位移反应有一定的影响,且能进一步提高模型的数值稳定性.     

网壳结构与下部结构协同工作的研究

提出了考虑网壳结构与下部结构协同工作的简化处理方法，将支承结构简化为弹簧和附加质量，进而考虑下部支承结构的弹性效应和附加惯性效应．采用Newmark计算格式，对网壳结构进行动力时程分析，探讨了下部支承对结构地震响应的影响情况．建议根据工程的实际支承情况，设计时应考虑网壳与下部支承结构在地震作用下的协同工作．     

热动力学框架内的RPC材料弹塑性各向异性损伤本构建模研究

考虑材料刚度的退化,不可恢复应变,非弹性体胀及单边效应,建立了RPC材料的弹塑性各向异性损伤本构关系.采用有效应力张量的正负分解,拉压不同的塑性硬化法则和拉压不同的损伤演化法则对RPC材料的单边效应进行了建模.采用张量型的损伤变量来描述损伤的各向异性,通过四阶损伤效应张量和应变等效假设建立有效构形和损伤构形中的物理量之间的关系.在热动力学框架内,建立了RPC材料的状态势和耗散势,由状态律给出了与状态变量共轭的热动力学广义力与状态变量之间的关系,由动力律给出了状态变量的演化关系,由塑性加载条件,损伤准则和一致性条件给出了塑性乘子和损伤乘子的大小,最终推导出弹塑性损伤切线刚度张量,为数值方法的实施典定基础,讨论了材料参数确定的方法和模型的局限性,为进一步的工作指明了方向.     

考虑杆件屈曲网壳结构动力稳定矢跨比优化

为研究在动力载荷作用下考虑杆件屈曲的单层球面网壳结构对矢跨比的敏感性,本文采用非线性有限单元法,对四种不同矢跨比的存在杆件缺陷的单层球面网壳结构进行非线性稳定全过程分析.研究结果表明:考虑杆件屈曲的单层球面网壳结构在动力载荷作用下的稳定性因矢跨比的不同有较大差异,并通过比较得出较优矢跨比.通过本文的研究,为在动力载荷作用下考虑杆件屈曲的单层球面网壳结构矢跨比设计提供理论依据.     

施威德勒网壳结构的动力强度破坏

对40 m跨的施威德勒理想网壳结构和考虑初始缺陷的网壳结构进行了全过程动力时程分析,考察了此类型网壳结构的动力性能和破坏形式.对具有初始缺陷的网壳结构进行了参数影响分析,分别考察了地震作用、杆件截面和屋面荷载三种因素对结构动力性能的影响,研究了在不同条件下施威德勒网壳结构的动力失效机理和破坏模式.将研究结果与其他球面网壳结构进行了比较,验证了已提出的理论框架的合理性和实用性.     

损伤结构弹塑性抗震性能分析及评价

综述结构弹塑性动力响应分析的方法、理论模型, 以及地震作用下钢筋混凝土结构破坏准则.在分析结构弹塑性动力分析及其评价存在问题的基础上,提出其动力分析及评价关键技术.根据结构滞回运动中损伤退化累积释放弹性能与累积塑性变形能的关系,导出累积释放弹性能位移关系函数.介绍以累积释放弹性能指标建立结构损伤程度评价模型、结构延性评价模型及相应的结构破坏准则新思路,并应用于解决结构基础隔震、减振耗能、振动控制和与非线性振动有关的工程问题.     

钢管混凝土模型拱的弹性动力稳定性研究

以一钢管混凝土模型拱桥为例，首次进行了此类桥型在地震激励下的动力稳定性分析，探讨了结构动力稳定临界荷载的判定方法，初步建立了适合拱结构的动力稳定性判别准则，并研究了初始几何缺陷和地震加速度输入方向对动力稳定性能的影响，为进一步研究实际结构的动力稳定性能打下了基础。     

基于塑性损耗的超高层建筑结构抗震性能分析

基于能量分析原理提出了一个建筑结构的塑性损耗指标,即结构的塑性损耗能在总输入能中的比例,用来衡量建筑结构在地震载荷作用下的实际损伤程度.通过有限元软件ABAQUS运用非线性动力弹塑性分析方法分析了一个典型框架—核心筒超高层结构.计算了该结构在同一地震波不同地震强度下的塑性损耗指标、构件和层的塑性损耗能分配,以及在不同地震波同一地震强度下的塑性损耗指标、层塑性损耗能分配;模拟了该结构相应的损伤破坏分布情况.两种方法表征的结果趋势一致,表明结构的塑性损耗指标和塑性损耗能分配可用来衡量结构整体和局部塑性损伤破坏情况.     

网壳结构基于性能的动力失效判定准则

基于性能的设计思想,文章提出了一种网壳结构震后是否发生动力失效的判定准则。按常规设计的网壳结构遭遇地震后,保留残余应变的状态并作为初始状态重新进行常规设计,如果此时网壳结构已不能满足初始设计时所要求的各项性能,则认为网壳结构已发生动力失效;进而将网壳结构的动力失效形式分为Ⅱ类,该文提出的准则用于判定第Ⅱ类动力失效,称为第Ⅱ类失效准则;算例分析表明,该准则判别结果明确,便于工程实践的应用。     

非开挖水平定向钻孔壁稳定性

 基于多孔介质概念,建立了孔隙度、渗透系数与体积应变的动态演化模型,给出了Mohr-Coulomb 准则与Drucker-Prager 准则之间的强度折减系数换算关系,以Abaqus 为平台,将动态演化模型与有限元强度折减系数法相结合,研究水平定向钻孔壁稳定性。结果表明,使用不同屈服准则所得安全系数有差异,但在一定条件下可相互转换,数值分析结果与理论分析一致;研究了不同泥浆压力对孔壁稳定性的影响,指出在一定的泥浆压力下,随着泥浆压力的提高,孔壁安全系数不断降低。扩孔结束时,泥浆压力为2.4 MPa时,最大塑性半径达到2.34 m,孔壁处最大塑性应变达到0.393,极限平衡状态时,泥浆压力2.4 MPa时,孔壁周围的最大塑性应变增加到1.208,远大于扩孔结束时的最大应变值,相应的最大塑性半径达到5.68 m,约为孔径15 倍。     

压缩荷载作用下脆性岩石弹塑性损伤耦合本构模型研究

在压应力作用下,岩石的塑性变形和损伤演化是相互耦合的。在热动力学基本框架下,建立了一个用于描述在压缩荷载作用下脆性岩石非线性力学行为的弹塑性损伤耦合模型。模型采用基于Drucker-Prager线性屈服准则,并同时考虑损伤软化效应的函数作为加载函数。此外,为反映岩石在压应力作用下体积变形从压缩到膨胀的转化过程,引入非关联的塑性流动方程。基于已有的损伤理论,建立含有塑性剪切应变的损伤准则。通过联立屈服准则和损伤准则的一致性条件,建立塑性和损伤发展的耦合关系。运用建立的模型对不同围压下大岗山辉绿岩的常规三轴压缩试验进行模拟。模拟结果和试验数据具有较好的一致性,表明了模型的合理性和有效性。     

钢管拱桁架在地震作用下的动力响应研究

研究了单榀钢管空间拱桁架在地震荷载作用下的动力响应。采用ANSYS/LS-DYNA非线性有限元动力分析程序,探讨了该结构在竖向输入El-centro地震波作用下的动力响应,以及在各级地震荷载作用下,如何计算拱桁架的动力响应。指出结构的位移和内力响应随地震加速度峰值的增加呈非线性变化;支座附近的杆件塑性应变响应最大,发展最快,首先达到材料的极限应变而退出工作;在地震响应中,该结构支座附近的杆件是最薄弱的部位。