強(qiáng)震和沖擊荷載下球面網(wǎng)殼的動(dòng)力失效分析與試驗(yàn)研究.pdf

1、近年來(lái)由于各種人為因素或地質(zhì)災(zāi)害的影響，建筑物嚴(yán)重破壞的事故頻繁發(fā)生。重要的大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，例如地區(qū)標(biāo)志性建筑，如果遭受特大地震、撞擊等意外危害時(shí)發(fā)生破壞，不僅會(huì)造成生命財(cái)產(chǎn)的重大損失，甚至還會(huì)有深遠(yuǎn)的政治影響。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的根本任務(wù)是保證結(jié)構(gòu)安全，而防止結(jié)構(gòu)倒塌則是保證結(jié)構(gòu)安全的底線。對(duì)有大量人群聚集的大跨度建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行倒塌分析，采取防止動(dòng)力倒塌的措施，將逐步成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。
　　造成建筑物失效破壞的突發(fā)事故既可是自然界

2、中的突發(fā)地震，也可是意外的沖擊。本文以球面網(wǎng)殼為研究對(duì)象，具體包括單層網(wǎng)殼、雙層網(wǎng)殼兩種形式，以數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，分析了強(qiáng)震和沖擊荷載下網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)、失效模式，模擬了動(dòng)力倒塌的過(guò)程，并揭示了倒塌機(jī)理，主要內(nèi)容如下:
　　(1)以結(jié)構(gòu)倒塌的數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，選用顯式動(dòng)力非線性程序LS-DYNA作為數(shù)值模擬平臺(tái)。對(duì)數(shù)值模擬的相關(guān)技術(shù)及其難點(diǎn)進(jìn)行了分析，自編制前處理子程序，采用了鋼材的彈塑性損傷本構(gòu)模型。建立了基于ID

3、A方法的球面網(wǎng)殼的動(dòng)力倒塌的計(jì)算流程，提出了基于能量守恒的倒塌判斷準(zhǔn)則。
　　(2)通過(guò)對(duì)單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析，定義了強(qiáng)震下網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的失效模式。研究了單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下的動(dòng)力響應(yīng)和失效特征，重點(diǎn)模擬了結(jié)構(gòu)倒塌的全過(guò)程，從凹陷產(chǎn)生、擴(kuò)展的角度揭示了倒塌機(jī)理。對(duì)影響網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)極限承載力的影響因素，如:矢跨比、屋面荷載、有無(wú)下部支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。對(duì)荷載分布不對(duì)稱下的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力倒塌分析。對(duì)空腹雙層網(wǎng)殼進(jìn)行了動(dòng)力全過(guò)程分析。

4、
　　(3)提出了在網(wǎng)殼中增設(shè)開(kāi)孔的雙鋼管約束屈曲支撐作為減震裝置，對(duì)其耗能能力進(jìn)行了分析。提出了在單層網(wǎng)殼、雙層網(wǎng)殼中，約束屈曲支撐布置的方式，對(duì)其減震效果進(jìn)行了分析。并對(duì)無(wú)約束屈曲支撐和有約束屈曲支撐的網(wǎng)殼的極限承載力進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，約束屈曲支撐具有較好的減震效果，并能提高網(wǎng)殼的極限承載力。
　　(4)通過(guò)縮尺模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在不對(duì)稱荷載作用下的動(dòng)力失效模式進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明:荷載不均勻分布會(huì)降低強(qiáng)

5、震下網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的極限承載力。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮不對(duì)稱荷載對(duì)網(wǎng)殼動(dòng)力穩(wěn)定性的影響。
　　(5)研究了如落石等這種質(zhì)量較大、速度較小的沖擊荷載，對(duì)沖擊荷載進(jìn)行了分析。建立了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)的計(jì)算模型，定義了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在這種荷載作用下的失效模式，分析了各失效模式對(duì)應(yīng)的動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn)，對(duì)失效機(jī)理進(jìn)行了研究。分析了當(dāng)網(wǎng)殼同時(shí)遭受兩點(diǎn)沖擊、三點(diǎn)沖擊的動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)三點(diǎn)沖擊下的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的整體倒塌機(jī)理進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:對(duì)于單點(diǎn)沖擊，對(duì)應(yīng)的失效模

6、式為輕度損傷、局部凹陷、局部沖切破壞。當(dāng)沖擊質(zhì)量和速度均較小時(shí)，沖擊能量較小，沖擊點(diǎn)處的桿件有輕微的損傷;當(dāng)速度較大時(shí)，一般發(fā)生的是局部沖切破壞，當(dāng)質(zhì)量較大，速度適中時(shí)，才會(huì)發(fā)生局部凹陷。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在最不利兩點(diǎn)沖擊和三點(diǎn)沖擊下的失效機(jī)理為;由于局部凹陷形成、擴(kuò)展、聯(lián)通，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)最后動(dòng)力倒塌。
　　(6)進(jìn)行了縮尺模型的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的沖擊試驗(yàn)，采用不同質(zhì)量的沖擊物對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的不同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了沖擊測(cè)試，分析了整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移及加速度，