爆炸荷载下高层钢筋混凝土结构连续倒塌机制与模式研究

高层建筑结构构件尺寸较大,爆炸荷载作用下应力波传播造成的材料破坏效应不能忽略,需要采用精细化模型来分析其非线性响应行为与连续倒塌过程,计算效率低,实用性差.本文将多尺度建模方法引入到爆炸荷载作用下高层建筑结构的连续倒塌分析中,依据爆炸荷载作用下高层建筑结构非线性破坏与连续倒塌的特点,提出了多尺度模型不同区域的确定方法,使用该方法对某高层建筑结构的连续倒塌机制和倒塌模式进行了研究.结果表明,相同TNT当量炸药的爆炸荷载作用下,比例距离较小时,高层钢筋混凝土结构可能发生单柱失效-双向联合倒塌模式;比例距离增大至某一区间时,结构则可能发生多柱失效-竖向倒塌模式.多柱失效-竖向倒塌模式影响范围广,对结构危害大,应通过采取防护措施避免该倒塌模式的发生.     

铝合金双层网壳结构的抗震性能分析

以双层球面网壳为研究对象,分析了结构随参数变化的自振特性.采用Newmark积分法对其进行地震时程响应分析,研究了铝合金与钢双层网壳结构在竖向地震荷载作用下节点的位移响应及杆件的轴力响应.研究结果表明,铝合金双层网壳与钢双层网壳在结构相同情况下,其自振特性基本相同.而地震荷载引起的位移响应,铝合金双层网壳要略大于钢双层网壳,但铝合金双层网壳的杆件轴向应力远小于钢双层网壳的杆件轴向应力,因此用铝合金取代钢材是可行的.     

爆炸荷载下钢筋混凝土柱的动力响应及破坏形态分析

在冲击、爆炸荷载作用下结构底层柱的破坏可能导致结构的连续倒塌.利用LSDYNA对爆炸荷载下钢筋混凝土柱的动力响应进行了数值模拟.建立了三维实体钢筋混凝土柱模型,爆炸荷载施加在柱子的前表面.钢筋采用塑性硬化模型.混凝土材料采用脆性损伤模型,考虑了损伤及应变率效应.分别对矩形截面、方形截面的柱子在不同折合距离时的侧向位移和失效情况进行了分析.从结果可以看出,在配筋率相似的情况下,截面面积对柱子的动态响应具有显著的影响.当折合距离约为2.0时,爆炸荷载对两种截面钢筋混凝土柱的影响均可以忽略不计.     

长钢顶管稳定特性的有限元分析

随着钢顶管直径和顶进距离的不断增大,复杂受力条件下的钢顶管屈曲破坏成为了施工过程中的工程隐患.通过简化长径比超过100的钢顶管受力模型,探讨了长钢顶管稳定特性有限元分析方法.首先进行钢顶管管道的特征值屈曲计算,得到管道的一阶屈曲模态.再将一阶模态作为初始缺陷引入到钢管,进行弹塑性屈曲极限分析.通过算例分析了钢顶管在各种基本荷载及不同组合荷载下的屈曲模态,并探讨了其弹塑性稳定极限荷载的变化规律.分析结果反映了钢顶管屈曲工程案例现象,并建议通过控制注浆效果和顶进措施来提高管道的稳定安全性,对于高围压下的钢顶管尤其需要注重顶力控制.     

考虑竖向荷载的Timoshenko模型桩水平振动响应解析解

考虑饱和土应力和位移沿深度的变化,将桩基等效为Timoshenko模型,对饱和土中竖向荷载作用下的端承桩水平振动响应进行了理论研究。基于Biot动力固结理论,通过引入势函数解耦土体方程。利用Laplace变换和分离变量法求得桩周土体频域响应解析解。考虑桩基的剪切变形和转动惯性效应,结合桩土接触连续性条件,得到桩体位移和桩顶动力复阻抗频域解析解。通过数值算例,比较了竖向荷载作用下Euler-Bernoulli模型与Timoshenko模型桩顶振动特性;并研究了长径比和竖向荷载对桩顶动力复阻抗的影响。结果表明:采用Euler-Bernoulli模型计算桩顶动力复阻抗偏于危险;长径比增大到临界值后,长径比对桩顶动力复阻抗影响较小;竖向荷载导致桩顶动力复阻抗突然降低,对桩基承载能力有不可忽视的影响。     

移动简谐荷载下浮置板轨道-隧道-地基模型二维振动响应研究

为分析地铁隧道中浮置板轨道的减振特性，基于轨道-隧道-地基二维耦合模型，通过引入位移势函数和双重傅里叶变换，推导了移动简谐荷载作用下二维耦合模型的位移响应解答，研究了浮置板轨道参数敏感性.研究表明，二维耦合模型存在3个自振频率，地层的位移响应以低频为主，峰值频率在1Hz左右，不同荷载频率下地层竖向位移沿深度的变化规律不同.地层加速度响应以中低频为主，第二自振频率对应的地层加速度峰值最大，采用浮置板轨道并不能减少地层振动位移，但可以有效降低1.414倍第二自振频率以上地层振动的加速度响应.增加浮置板质量和降低钢弹簧刚度可以减少地层的加速度响应达到减振目的，改变钢轨扣件刚度和浮置板抗弯刚度对地层加速度响应的影响很小.研究可为地铁环境振动的快速评估提供参考.     

铝合金双层球面网壳结构的抗震性能分析

以双层球面网壳为研究对象,分析了其结构随参数变化的自振特性,采用Newmark积分法对其进行地震时程响应分析,在此基础上分别研究了铝合金双层网壳与钢双层网壳结构在竖向地震荷载作用下结点随参数变化的位移响应及其杆件轴向应力响应.研究结果表明,铝合金网壳与钢网壳在结构相同的情况下,其自振特性基本相同,对地震荷载引起的位移响应,铝合金网壳要略大于钢网壳,而铝合金网壳杆件轴向应力远远小于钢网壳,因此用铝合金取代钢材具有可行性.     

竖向非均质饱和地基中埋置扭转荷载的动力响应

为探讨竖向非均质饱和地基中埋置简谐扭转荷载的动力响应,考虑地基为饱和半空间,并假定土体剪切模量随深度呈指数函数非线性分布,基于Biot固结理论与弹性动力学原理,建立饱和地基扭转振动的动力微分方程,引入边界条件并利用Hankel变换方法求解获得变换域内的剪应力、切向位移表达式,进而通过Hankel逆变换求得饱和地基内部的剪应力、切向位移解答,据此基于Mathematica编制出相应计算程序,并通过参数分析发现:地基土剪应力、切向位移沿径向呈现出明显的波动规律,曲线波动频率随荷载频率增大而增大;荷载作用面土体切向位移最大,剪应力发生突变,主要影响范围是荷载作用面上、下各两倍荷载作用半径(2a)区域;土体最大切向位移随荷载埋深h增大而减小,h=2a时最大切向位移下降90%,h 4a时,最大切向位移近似为零.     

爆炸荷载作用下钢管混凝土柱的有限元分析

对于重要的建筑物和防护结构,通常都要考虑爆炸冲击荷载的作用,目前钢管混凝土已被广泛地应用于工程结构中.为研究爆炸荷载作用下钢管混凝土柱的力学性能,采用非线性有限元软件ANSYS/LSDYAN对方钢管混凝土柱在表面爆炸荷载作用下的反应进行了数值模拟.混凝土采用HJC模型,钢管采用考虑应变率的随动硬化塑性模型.分析了折合距离为1.0时柱子的破坏形态和不同折合距离时关键点的位移反应.研究表明,折合距离为1.0时,尽管内填混凝土破坏严重,但钢管能约束混凝土的横向变形,表现出良好的延性,抗爆性能优越.且随着折合距离的增大,柱子变形明显减小.     

双向隔震铁路桥梁与列车的耦合振动响应研究

为了研究铅芯橡胶双向隔震铁路桥梁在列车荷载作用下的动力性能,本文首先建立一座三跨隔震桥梁三维模型,然后对双向隔震铁路桥梁和列车组成的车桥系统耦合振动进行分析,研究其机理.结果表明,隔震桥梁在横桥向的隔震周期越大,桥梁梁体在列车荷载作用下横桥向位移越大,支座阻尼对桥梁梁体横桥向水平振动的衰减作用更加明显,对桥梁上部结构扭转角和竖向位移的影响可以忽略不计.桥梁横桥向的隔震周期的增大,使车体横摆、侧滚振动位移响应更加剧烈,对车体各个自由度的加速度响应影响可以忽略不计;隔震支座阻尼的增大对车体横摆、侧滚角、摇头角、沉浮和点头角位移响应以及对车体各自由度的加速度响应影响较小.     

双向温梯荷载下简支梁桥上CRTS Ⅱ型板受力变形

为研究温度梯度荷载作用下多跨简支梁桥上CRTS Ⅱ型板受力变形问题,基于有限元法建立了多跨简支梁桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道无缝线路(Continuous Welded Rail,CWR)空间精细化有限元模型,分析了竖向、横向温度梯度荷载作用下轨道、桥梁结构纵向受力与变形特性.研究结果表明:竖向温梯荷载作用下,钢轨在桥梁两端的主端刺位置伸缩力与位移达到最大值;轨道板出现翘曲应力,其上下表面应力差随温度梯度增大而增大,轨道板竖向温度梯度为90℃/m时,上下表面应力差最大值较50℃/m时增加了44％.双向温梯荷载作用下,向阳侧桥梁纵向位移明显高于背阴侧,钢轨伸缩力略高于背阴侧;随着横向温度梯度的增大,阴阳两侧结构纵向位移差、相对位移差和应力差均呈现逐渐增大趋势.在高温差地区需重点关注轨道板因上下表面应力差引起的翘曲变形问题.研究成果可为桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道无缝线路的设计、施工和维护提供理论依据.     

爆炸荷载作用下焊接工字钢梁的动力响应及破坏模式分析

目的分析焊接工字形钢梁在爆炸荷载作用下破坏模式及影响动力响应的主要因素,为钢梁抗爆设计提供建议.方法采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,基于流固耦合的方法对钢梁的动力响应及破坏进行数值分析.结果在不同的爆炸荷载作用下,钢梁可能发生剪切破坏、弯剪联合破坏和翼缘屈曲破坏3种破坏模式;增高腹板高度可以有效地控制钢梁在爆炸荷载作用下的跨中最大位移,效果次之的是增加翼缘板厚度和腹板厚度,效果最差的是增加翼缘板宽度.结论钢梁的破坏模式与比例距离有关.随着比例距离增大,钢梁的破坏模式由剪切破坏模式转变为翼缘屈曲破坏模式.增大梁截面高度,能有效地提高钢梁的抗爆承载力.     

纵向和横向荷载下微倾单桩变形和内力的弹塑性解

为提高工程中桩身侧向变形较大时纵向和横向承载单桩的设计及计算水平,考虑桩身初始微倾斜及土体的弹塑性,采用矩阵计算法得到地基水平抗力系数为常数时桩身侧向变形和内力的解及桩身最大位移、最大弯矩及其所在位置的计算方法。研究结果表明:解的计算值与模型试验值较吻合;当桩顶自由时,桩身最大位移、最大弯矩及土体屈服后桩身最大弯矩距地面的距离均随桩身初始倾角的增大而增大;桩身初始微倾斜对桩身侧向响应的影响随纵向荷载的增大而增大;桩身最大位移、最大弯矩及桩身最大弯矩距地面的距离均随纵向荷载的增大而增大,且其变化速率随纵向荷载和桩身初始倾角的增大而增大,因此,土体的弹塑性、纵向荷载及桩身初始微倾斜等对桩身侧向响应的影响不容忽视。     

内爆炸作用下地铁车站结构的动力响应与破坏分析

地铁车站环境封闭,一旦其内部发生意外或恐怖爆炸事件,结构会在爆炸波的冲击作用下产生强烈的动力响应和局部破坏.采用数值方法对地铁车站在背包炸弹等中小型爆炸装置产生的内部爆炸作用下的结构动态响应进行了分析,得到了梁、板、柱等主要受力构件的位移和应变等动力响应,同时分析了炸药量、构件配筋率以及土-结构相互作用等因素对结构主要受力构件响应的影响.研究表明:在内部爆炸作用下,地铁车站的站台板是结构中破坏最为严重的构件,临近柱和中板会产生开裂等轻微破坏;结构的动力响应随炸药量的增大而增大,随构件配筋率的增大而减小;土-结构相互作用对于距离爆源最近的梁、板、柱构件响应影响较小.     

单层球面钢网壳结构在内爆炸作用下的动力响应

采用LS-DYNA程序建立了单层球面钢网壳的内爆炸数值模拟计算模型.应用所建模型,对单层球面钢网壳在内爆炸作用下的动力响应进行了数值模拟计算,分析讨论了炸药TNT量、矢跨比和爆炸点位置等参数变化对结构动力响应的影响.结果表明,在内爆炸作用下,单层球壳结构的最大位移和最大应力响应随TNT量的增加而增大,最大应力响应的增幅小于最大位移;最大位移和最大应力响应随矢跨比的增大呈非线性减小,矢跨比大、跨度小的结构防(抗)爆炸波的能力较强.数值结果还揭示,邻近结构支座1/4跨度范围内的偏心爆炸对结构最为不利,进行防爆和抗爆设计时,应按偏心爆炸效应选取设计控制参数.     

爆炸冲击下盾构隧道衬砌结构的动力响应特性

考虑现实生活中城市地铁隧道内可能出现的意外或恐怖袭击爆炸事件,运用有限元Midas/GTS软件数值模拟爆炸过程,分析爆破荷载作用下隧道管片的变形、振速、内力及地表的变形情况,分别选取3种不同管片接头模型进行对比。结果表明:爆破荷载作用对隧道管片的影响较大,而对地表的影响较小,其竖向位移随地表与爆炸源正上方位置距离的增大逐渐减小;不同接头模型中管片的内力与变形规律相似;隧道管片内力随时间先增大后减小,采用局部刚度折减法时管片的内力明显区别于整体刚度折减法与不折减法,折减区管片内力较大,整体管片内力分布不均匀现象更为明显。     

循环荷载作用下土质边坡动力响应分析

为研究土质边坡对循环荷载作用的动态响应规律,通过有限元对不同工况下土质边坡的振动响应进行模拟。结果表明,当循环荷载位置及加载频率一定时,边坡各测点竖向加速度、位移和速度响应峰值随循环荷载振幅增大而增大,且加速度和速度大致呈线性关系;各测点响应峰值随边坡高程变化而变化,测点离振源越近,动力响应越剧烈,响应增幅越大;当循环荷载位置及振幅一定时,边坡在1.5~2.5 Hz频段出现强响应,产生对其不利的共振现象;当循环荷载振幅及频率一定时,边坡的响应峰值随着荷载位置距坡肩距离(L)减小而增加,当L超过10 m后边坡振动响应变化幅度趋于不变。研究结果对认识循环荷载对土质边坡的影响及合理评价边坡工程环境振动具有重要的工程应用价值。     

砂土场地中组合荷载下单桩竖向承载特性研究

考虑砂土场地中单桩承受水平和弯矩荷载的共同影响,完成了五组共十根单桩的室内模型试验,分析了在组合荷载作用下砂土中单桩的竖向承载特性.研究表明:在不考虑竖向荷载作用的情况下,随着水平荷载作用点高度的增加,由于出现了弯矩荷载,单桩的水平极限承载力降低,但降低幅度逐渐减小;水平或弯矩荷载的增大,均会导致单桩沉降的增大和竖向承载力的降低,但只有当水平荷载达到相应位置水平极限承载力的0.5倍以上时,这种变化幅度才较明显;预先施加的水平和弯矩荷载在产生水平位移后,再施加竖向荷载,将会出现P-Δ效应,造成单桩水平位移的增大和水平承载力的降低;水平和弯矩荷载共同作用时对单桩的沉降和桩端阻力的影响程度,与水平和弯矩荷载产生的桩顶水平位移的大小正相关.     

超大跨径CFRP缆索悬索桥静力性能

为研究超大跨径CFRP缆索悬索桥的静力特性,并比较其与传统钢悬索桥静力性能的区别,探索性设计了主跨分别为2000 m、3000 m的CFRP缆索悬索桥和钢缆索悬索桥,以及主跨为5000 m的CFRP缆索悬索桥,采用有限元法对比分析了这几种悬索桥在恒载、汽车荷载以及温度作用下的内力和变形.结果表明:在恒载作用下,随着跨径的增大,结构内力迅速增大,且跨径越大增长速度越快,相同跨径条件下,CFRP缆索悬索桥主缆张力、吊索平均索力均小于钢缆索悬索桥的相应值,但加劲梁最大弯矩值略大;在汽车荷载作用下,CFRP缆索悬索桥的竖向位移稍大于钢缆索悬索桥的相应值;在温度作用下,CFRP缆索的内力增量和竖向位移较钢缆索的相应值小很多.     

非均匀地基在矩形移动荷载作用下的动力响应

利用半解析法研究矩形移动荷载作用下非均匀地基的动力响应问题.基于双向Fourier级数展开技术,建立矩形移动荷载作用下非均匀地基的动力计算模型,其中考虑地基剪切模量为随深度任意变化的连续函数.经过理论推导,给出非均匀地基在矩形移动荷载作用下地基中位移级数形式的解析解答.通过数值算例分析并讨论地基非均匀参数、荷载移动速度以及地基表面的剪切模量等对地基力学响应的影响规律.从数值计算结果看,表面土体的剪切模量越大、非均匀程度越大、移动荷载速度越小,都会使土体中各点的竖向位移减小.