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。     

强震作用下双层球面网壳结构非线性动力响应分析

针对大跨网壳结构的动力特性,提出了在强烈地震作用下双层球面网壳结构的非线性分析和结构动力稳定性判别方法.单元模型中考虑几何非线性和材料非线性的双重影响.分析时,以静力荷载作用下的受力状态作为时程分析的初始状态,采用B-R判断准则确定其临界荷载,通过加速度峰值-结构最大位移曲线来判别结构的动力稳定性,据此找出其动力失稳临界点及破坏规律.通过算例验证了本文方法的有效性.分析结果表明,双层球面网壳结构考虑双重非线性是必要的;一致缺陷模态对结构承载力的影响比振型模态缺陷的影响大.     

单层椭圆抛物面网壳在地震作用下的动力稳定性分析

以平面30 m×30 m,矢跨比分别为1/6,1/7,1/8和1/9的椭圆抛物面单层网壳为对象,利用ANSYS非线性动力软件,研究其弹塑性动力失稳。计算中考虑几何和材料非线性效应,并对几何缺陷、阻尼、不同地震波及其输入方向等对稳定性的影响进行了分析。结果表明:该结构的动力失稳一般伴随着较大的塑性变形,具有明显的突发性;在水平地震作用下动力稳定临界荷载明显低于竖向地震作用下的临界荷载,以两向地震作用下最低;在水平地震作用下,较大矢跨比时动力稳定临界荷载较低;杆件截面的增大可显著提高该结构的水平刚度和动力稳定临界荷载;几何缺陷能显著降低网壳结构的动力稳定临界荷载;考虑Raleigh阻尼模式,其临界荷载提高不足7%。     

大跨度预应力拱桁架结构整体稳定性能数值分析

空间结构的刚度随跨度增大而减弱,其整体稳定性成为结构设计的控制要素。实际结构由于存在施工安装误差、杆件偏差等,进行结构稳定性分析时需考虑初始几何缺陷的影响。基于实际工程,采用有限元软件Abaqus对某大跨度预应力拱桁架结构的整体稳定性能进行数值分析。通过对比引入特征屈曲模态缺陷和荷载作用下变形缺陷得到的结构整体稳定系数,研究两种缺陷引入方法对背景工程结构整体稳定性能的影响。数值分析结果表明：对称荷载作用下,以恒载变形作为初始几何缺陷计算所得的结构稳定安全系数较低;非对称荷载作用下,以第一阶屈曲模态一致缺陷为初始几何缺陷计算所得的结构稳定安全系数较低。基于此,对大跨度预应力拱桁架结构,可比较荷载作用下结构失稳状态和可能出现的结构变形形态,以两者一致性吻合度较高的形态作为初始几何缺陷进行引入,获得控制性的结构整体稳定性系数。     

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。     

考虑损伤累积效应的单层球面网壳动力稳定

为了揭示强震下单层网壳结构的动力失效机理,从考虑材料损伤累积效应的角度出发,基于塑性应变和能量损耗理论建立应变-损伤弹塑性本构关系,提出将B-R运动准则和杆件塑性应变能密度曲线结合起来,作为结构动力失稳的判断标准.应用动态增量(IDA)法,对一Kiewitt-8型单层球面网壳结构进行地震作用下动力稳定分析,得出考虑材料损伤累积效应将显著降低结构的动力稳定临界荷载等结论,为该类结构震后修复和抗震性能的评估提供依据.     

考虑地裂缝影响的连体结构地震动力响应分析

西安火车站东配楼为不规则连体结构，其质量与刚度分布差异较大，地震作用下的平扭耦合效应显著，不利于结构抗震，为研究地震作用下f₃地裂缝对该连体结构动力响应的影响，本文采用ABAQUS有限元软件分别建立了f₃地裂缝场地与无地裂缝场地的土体-结构耦合模型，对比分析了地震作用下结构的位移、加速度及扭转等响应。结果表明：地裂缝增强了地震的激励作用和连体结构的动力响应，由于大区各柱脚距地裂缝距离均不相同，因此大区的扭转响应显著提升，增幅达到了191.61%;在弹性与弹塑性阶段，连体结构的最大层间位移角分别为1/580和1/51,满足相关规范要求；大、小三角区的位移及加速度大致相同，表现出较强的平动耦联效应；而大跨桁架连廊采用滑动支座能有效释放连体结构的相对位移，并降低强震作用下大区与小三角区的扭转耦联效应；连体结构的薄弱层为1、2层，应进一步提升结构刚度。     

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.     

高速弹体对混凝土拱形靶体的侵彻效应分析

混凝土拱结构由于其拱形受力特性,在高速弹体作用下其侵彻效应将与混凝土板梁结构存在一定的差异.为分析混凝土拱结构在高速侵彻荷载作用下的动力响应及侵彻效应特性,考虑弹体侵彻高加载率下混凝土的应变率效应,采用SPH-Lagrange耦合方法,建立了弹体高速冲击作用下的侵彻耦合模型,并且验证了该耦合模型对此类问题模拟的可靠性;同时采用该耦合模型研究了混凝土拱形靶体在高速弹体外拱及内拱冲击作用下的贯穿破坏发展过程,并分析了弹体侵入拱形靶体的非贯穿侵彻破坏效应.结果表明:拱效应对混凝土拱形靶体的侵彻破坏过程具有重要的影响;弹体从外拱侵彻引起拱形靶体的动力响应、破碎区深度以及弹体贯穿的残余速度均小于内拱侵彻.     

钢管拱桁架的静力稳定性研究

利用大型有限元程序ANSYS对拱桁架进行了静力稳定性分析,同时考虑了初始缺陷、荷载作用范围及约束条件等因素对拱桁架静力稳定性能的影响.结果表明:拱桁架的失稳形态为整体失稳;初始缺陷对拱桁架的稳定承载力和失稳时的变形都影响显著;拱桁架在半跨荷载作用下的稳定临界承载力比满跨时略高,但变形却比满跨时大得多;约束绕x轴的转动和固定约束的作用基本相同,使结构的稳定承载力比只限制位移提高10.6%.     

张弦梁结构弹塑性大位移分析

运用由梁单元、杆单元和索单元组成的混合有限元法对采用工形截面钢拱梁的张弦梁结构进行了静力弹塑性大位移分析,通过跟踪结构在自重类荷载、半跨分布荷载以及风荷载作用下的平衡路径全过程,明确了结构在不同荷载作用下的破坏模态,以及撑杆数目、初始几何缺陷、材料弹塑性等因素对结构受力性能的影响,并得出了宜在结构跨中设置撑杆、初始几何缺陷对张弦梁结构的承载力影响不大等结论.     

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。     

考虑支座失效的基础隔震结构振动台试验研究

为研究隔震结构在多向动力耦合激励下的动力响应和荷载传递路径,进行了一个缩尺比例为1∶4的三层平面不规则RC隔震框架结构振动台试验. 通过研究结构的加速度响应、位移响应、隔震支座内力响应、损伤跨梁混凝土和钢筋应变等,揭示了多向动力耦合激励下的抗倒塌性能. 进一步利用OpenSees有限元软件,分析了损伤跨梁内力和支座损伤指数分布规律. 研究结果表明：在双向水平地震和单个隔震支座突然失效引起的竖向不平衡荷载耦合激励下,失效点位置处结构的竖向动力响应显著增大,并发生明显的竖向变形;支座瞬时失效产生的动力效应对各支座内力均有影响,特别是对相邻支座的内力影响更加明显;支座瞬时失效产生的竖向不平衡荷载由空腹效应和梁端弯矩共同抵抗;支座瞬时失效对相邻支座损伤指数影响最大;在多向动力耦合激励下失效区域的动力响应比仅考虑竖向不平衡荷载下更显著,隔震层损伤指数分布相比地震单独作用下更加离散.     

独立式窑洞地震作用下损伤指标研究

定量地评估结构在地震作用下的损伤是地震工程领域的研究重点,增量动力分析方法已被广泛用于建筑结构地震易损性评估,而结构损伤指标是定量评估结构损伤情况的重要参数,山西北部农村地区的独立式土坯窑洞是一种拱受力结构体系,为研究拱结构在地震作用下的破坏特征并确立结构损伤指标,结合实际震害与数值模拟试验,分析了窑洞结构在地震作用下的破坏特征,对比了窑洞结构的顶点水平位移和拱顶竖向位移在不同地震动峰值加速度下与结构损伤情况对应关系,发现窑洞拱顶竖向位移与窑洞拱矢高作为窑洞损伤指标较为合理。     

强震下钢筋混凝土连续梁桥非线性动力响应分析

为了探索连续梁桥的地震损伤演化和破坏历程,在连续梁桥1∶3模型地震振动台台阵试验基础上,对该模型桥进行了非线性动力响应分析,考虑了主梁与桥台间以及横向挡块之间的碰撞效应对地震响应的影响,弥补了模型试验未考虑碰撞效应的不足.分析结果表明:数值分析结果与振动台试验结果较为吻合,两跨连续梁模型的主要破坏模式为墩柱破坏,中墩墩底为关键截面;纵向地震动作用下该模型结构加速度反应谱小于17.4 m/s2则结构不发生倒塌破坏;若考虑桥台对主梁的纵向约束作用,则主梁加速度响应增加、主梁位移减小、墩柱受力减轻,且该约束作用随接触间隙减小而越发显著;若考虑梁和挡块之间的碰撞,则主梁加速度增大,墩柱受力随着间隙的增加而增加.该研究成果可为后续连续梁桥的抗倒塌设计和抗震加固提供参考.     

独立式窑洞在地震作用下损伤指标的分析

定量地评估结构在地震作用下的损伤是地震工程领域的研究重点,增量动力分析方法已被广泛用于建筑结构地震易损性评估,而结构损伤指标是定量评估结构损伤情况的重要参数。山西北部农村地区的独立式土坯窑洞是一种拱受力结构体系,为研究拱结构在地震作用下的破坏特征并确立结构损伤指标,结合实际震害与数值模拟试验,分析了窑洞结构在地震作用下的破坏特征,对比了窑洞结构的顶点水平位移和拱顶竖向位移在不同地震动峰值加速度下与结构损伤情况的对应关系,发现窑洞拱顶竖向位移与窑洞拱矢高比作为窑洞损伤指标较为合理。     

某拱形空间管桁架结构稳定性能分析

大跨空间结构常因整体稳定不足而造成严重的安全隐患,针对某实际工程中拱形空间管桁架结构采用参数化分析方法进行整体稳定性能分析研究,考虑了缺陷幅值、重要杆件以及几何参数等因素对结构稳定承载力的影响。研究表明：在不利组合工况作用下,临界荷载系数为6.03,结构稳定性较好;结构对初始缺陷不敏感,其稳定系数变化不足4%;斜腹杆局部失稳下结构仍具有较强的承载能力;考虑双重非线性效应,在一定范围内增大其宽高比和外径比可以显著提高结构稳定承载能力,并给出宽高比控制在0.5～1之间、外径比控制在0.5左右的设计建议。研究结果为此类结构的设计与施工提供了参考。     

含初始转角的隔震支座在双层柱面网壳结构中的隔震性能

为了研究大跨度空间结构中存在支座转动问题,通过含初始转角的橡胶隔震支座的双层柱面网壳结构研究了水平方向上结构水平地震反应。结合通过实验得出的经验公式对橡胶隔震支座水平性能进行修正,并通过SAP2000应用动力时程分析法,在考虑下部支承结构的情况,对含初始转角的橡胶隔震支座进行了参数分析。结果表明：水平地震作用下,较小转角的隔震支座的支座底部剪力峰值与加速度峰值会下降;随着转角增加,柱顶加速度峰值、隔震支座底部剪力峰值等迅速增加;而跨高比大的网壳结构会放大初始转角对结构的影响,加大结构整体的加速度峰值和结构柱的位移峰值,但限制上层网壳结构的位移峰值。因此在考虑初始转角的情况下,若需要限制网壳结构加速度或位移,设计时需要将网壳结构跨高比的放大效应纳入考虑范围。     

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.