结构损伤一致多尺度模拟和分析方法

以一个重要的大跨桥梁为工程背景,基于非线性有限元分析软件ABAQUS,研究了大跨结构以损伤分析和状态评估为目标的结构多尺度模拟中的一系列关键理论和技术问题,包括多尺度建模方法和策略、基于子结构方法和基于多点约束衔接方法的多尺度建模过程,结构一致多尺度模型的修正和验证,以及应用多尺度模型进行结构损伤分析的方法与策略.研究结果表明,应用所提出的大跨结构一致多尺度建模方法和策略,能够有效地建立适用于实际大跨桥梁结构损伤分析的多尺度有限元模型,满足不同尺度下结构特性分析和局部损伤演化过程仿真计算的需要.而基于多尺度模型进行的局部疲劳损伤累积的仿真分析结果表明,发生于局部焊接细节的疲劳损伤与结构的局部应力响应之间有较大的耦合作用,在结构的多尺度损伤分析过程中应予考虑才能得到比较准确的寿命评估结果.     

基于多尺度模型的单层球面网壳结构静力稳定性分析

网壳等大跨度空间结构在实际工程中得到广泛运用,静力稳定性是结构安全分析的重要内容之一。为研究静力荷载作用下网壳结构的稳定性,以单层球面网壳结构为研究对象,基于多尺度有限元建模方法,通过分别采用薄弱区域节点细化模型、薄弱区域杆件细化模型和全梁单元模型对结构在静力荷载作用下的稳定性进行分析。结果表明,杆件细化与节点细化的多尺度模型可以跟踪杆件的局部凹陷和节点变形等,更接近实际,在结构静力稳定性的数值模拟方面具有更高的准确度。     

基于多尺度模型的单层网壳非线性屈曲分析

为同时模拟细观节点的局部变形和宏观结构的整体稳定性,通过对全梁一致单元模型的屈曲分析得出力学响应集中的重点区域,对该区域进行精细化建模,采用壳单元离散,宏观结构采用梁单元离散。建立了基于多点约束法的多尺度模型,并对多尺度模型及全梁单元模型进行了模态分析、考虑初始缺陷的双重非线性屈曲分析。对比结果可知：基于多点约束法的多尺度模型不会改变结构的频率、周期等固有特性,但因刚度分布的改变会导致振型变化;多尺度模型的稳定临界荷载相比一致单元模型有不同程度的降低。研究表明：多尺度模型能较为精准地模拟出细观节点的受力和变形,更贴近于实际工程的同时,在宏观层面的分析上也不失可信度。     

斜拉网壳结构的非线性地震响应特性

斜拉网壳结构是新型结构类型,可实现用较小构件截面尺寸跨越更大空间的要求。据此推导了空间杆单元几何非线性刚度矩阵,简述了斜拉索非线性问题,给出了地震作用下斜拉网壳结构非线性地震响应计算策略;数值分析了该类结构非线性地震响应问题,并与网壳结构计算结果进行对比。     

大型土木结构多尺度损伤预后的现状、研究思路与前景

针对大型土木结构安全服役的迫切需求,提出了"治结构之未病"的学术理念和结构多尺度损伤预后的研究思路.指出这类结构安全的共性问题是其损伤跨越了材料、构件和结构层次,是从微/细观到宏观尺度的多尺度、跨层次非线性演化.从发展多尺度损伤预后方法的驱动力、结构多尺度损伤预后相关理论研究现状、大型土木结构多尺度损伤预后的关键科学问题与解决思路以及大型土木结构多尺度损伤预后的发展趋势等方面,综述了大型土木结构多尺度损伤预后研究的现状、研究思路与应用前景.指出结构多尺度损伤预后研究需解决的关键科学问题包括结构损伤多尺度非线性演化机理、结构遭遇极端灾害作用时损伤跨层次突变导致灾变的机理及其损伤过程预测以及大型土木结构损伤过程模拟与分析中的不确定性和预后可靠性等.最后,展望了发展结构多尺度损伤预后理论对于结构全寿命安全的应用前景.     

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。     

网壳结构在地震作用下的动力稳定研究

以非线性有限元为工具,建立了网壳结构的非线性动力响应分析的有效方法．将网壳结构动力稳定判定准则引入到结构强度计算中,从而使结构的强度问题和稳定问题统一在一起．重点研究了单层球面网壳的非线性动力响应行为,对网壳结构在地震作用下的动力失稳状态以及倒塌现象作了理论上的研究,为“结构倒塌”作出了合理的定义,并进而探讨了网壳结构失稳机理。     

基于多尺度分析的混凝土随机损伤本构关系

通过多尺度能量积分与能量损伤表达建立宏-细观尺度之间的联系,即混凝土宏观尺度的损伤演化可以通过细观单元的分析获得.根据随机细观单元的数值分析结果,积分得到基本细观单元能量的演化,分别计算受拉与受剪损伤的演化曲线.建议了实用的损伤演化公式,并基于基本单元分析获得随机损伤发展参数的均值、标准差及其概率密度分布.混凝土宏观试验的模拟结果验证了多尺度随机损伤本构模型的正确性.     

北海机场新航站大楼网壳屋盖结构的地震反应分析

在介绍北海机场新航站大楼工程概况基础上，用有限元法分析其网壳结构的动力反应，用子空间迭代法分析其网壳结构的振动规律和动力特性，用时程分析法和反应谱法分析其网壳结构的地震反应。得出北海机场新航站大楼网壳结构的振型主要是水平的，呈对称和反对称，高阶不规则振型比较复杂，自振频率频谱稍密，周期性不明显；最大内力杆件出现在拱脚附近，位移最大的杆件是刚度较小的次拱上；地震反应主要受水平方向控制，其中又以侧向刚度较小的Y方向为主，竖向地震反应相对很小。     

基于Grasshopper插件的双层网壳结构参数化设计建模

基于犀牛(Rhinoceros)软件及Grasshopper插件,针对双层网壳结构的特点,探讨双层网壳结构参数化建模设计的实现过程。研究表明,运用参数化设计手段可快速进行双层网壳结构的内外层壁找型、体量生成、细节优化与三维模型打印,可为推广至复杂大跨度空间网壳结构的建筑设计提供参数化建模参考。     

单层球面网壳结构的地震易损性分析研究

地震易损性分析对空间结构等重要结构的风险评估以及基于性态的抗震设计具有重要意义。讨论了不考虑下部支撑结构的单层球面网壳结构的理论易损性曲线建立方法及其基本步骤,并进行了算例分析。将各种结构参数进行Monte-Carlo模拟,并随机选取80条地震记录组成了80个结构样本对,用Abaqus软件对每个样本进行了考虑材料损伤累积的增量动力分析,得到了其地震易损性曲线。     

单层柱面网壳的风振响应

在脉动风作用下单层柱面网壳结构的风振响应与一般高层高耸建筑的响应有较大的区别，其主要贡献模态一般不是第一模态，而往往分布在前数十阶模态．寻找对网壳结构风振响应有主要贡献的模态具有重要的意义．文中采用考虑高阶振型共振响应的综合模态法，计算了单层柱面网壳的风振响应，分析了自振频率、阻尼比等因素对共振响应的贡献，讨论了计算综合模态时所需的振型数；针对结构自振频率的密集性，揭示了考虑振型互相关性的必要性、影响振型互相关性的因素和计算振型互相关性所需的振型数，并给出了具体结构的位移风振系数和内力风振系数．     

双层联方型交叉桁架球面网壳结构的有限元分析

利用有限元分析软件ANSYS对双层联方型交叉桁架球面空间网壳结构进行了研究．首先分析了在均布荷载作用下该模型的静力变形规律,接着进行了模态分析,最后利用ANSYS软件在静力分析的基础上进行了简单的网壳结构稳定性分析,即线性特征值屈曲分析和非线性屈曲分析）．其设计流程和方法可供同类工程参考．     

单层柱面网壳在多点输入下的地震反应

采用可考虑行波效应和部分相干效应的人工合成多点地震动，同时考虑网壳结构的材料非线性和几何非线性，对柱壳在多点输入下的地震反应进行计算，并与一致输入下的地震反应进行对比，考察二者之间的差异；深入分析了大跨度单层柱面网壳结构在多点输入下的地震反应规律，得出一些有益于工程实际的重要结论．     

拱支网壳结构的力学性能分析

拱支网壳结构体系是在综合了网壳（网架）及拱结构等优点的基础上,构思出的一种新型大跨度空间杂交结构形式,在理论分析和模型试验研究的基础上,对该结构体系的力学性能进行了分析,并比较其经济性指标。研究结果表明,由于拱结构的参与,该杂交绘声结构的受力性能得到明显改善,使得该结构体系具有更广阔的应用前景。     

预应力拱支单层网壳的受力性能研究

预应力拱支单层网壳结构体系是在综合了单层网壳和预应力拱结构等的优点的基础上,构思出的一种新型大跨空间结构形式。本文比较了该结构体系在三种工况下的受力变形性能,结果表明该杂交结构能充分发挥两种结构形式的受力特点,整体受力性得到明显改善,显示出该新型杂交结构体系具有一定的应用前景。     

某大跨网壳的风致响应影响参数分析

在设计大跨结构时,风荷载是被控制的主要因素。为探讨地面粗糙类别、基本风压、阻尼比和风向角对大跨结构风致响应的影响,以重庆某体育场大跨网壳屋盖为研究对象进行了数值模拟分析。计算结果表明:对于大跨结构,采用随机振动分析时需考虑高阶参与振型的影响,当地面粗糙类别由A类向D类变化时,风致响应会逐渐加强,随基本风压的增大,也会使得风致响应逐渐加强,随阻尼比的增大,风致响应会逐渐减弱,风向角的变化对风致响应影响较大。     

带内树状支承柱单层球壳的优化分析

采用遗传算法和拟满应力法,以结构总质量为目标函数,杆件截面积为离散变量,对某带内树状支承柱单层球壳实际工程进行优化分析.通过在强度、杆件稳定和刚度等约束条件下,对优化结果的比较分析及对优化后的球壳结构的几何非线性全过程整体稳定性分析,使设计方案更加经济合理.算例结果表明:刚度条件对球壳结构优化起控制作用,杆件稳定和结构整体稳定性不可忽视;对带内树状支承柱单层球壳结构,要使结构设计方案经济合理,进行优化分析和方案比较是必要的.