沖擊荷載下單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析與試驗研究.pdf

1、隨著人類社會復(fù)雜程度日益加深，結(jié)構(gòu)在使用階段遭受炸彈爆炸和汽車碰撞等這類極端偶然荷載作用的風(fēng)險也在加大。大跨網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)一般都是人流量較大的重要建筑，一旦在極端偶然事件下發(fā)生破壞甚至倒塌，都可能會造成無法估量的嚴重后果。這類極端偶然作用往往能夠在很大程度上簡化為沖擊荷載，結(jié)構(gòu)在這種荷載的作用下必然會出現(xiàn)一定程度的破壞。因此，研究在沖擊荷載作用下大跨網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的動力性能有著迫切的現(xiàn)實意義。這要求我們必須對沖擊荷載下單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特性與防

2、護方法及措施展開詳細的研究。本文將通過理論分析、數(shù)值模擬和試驗研究相結(jié)合的方法，展開對不同沖擊荷載下單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的動力性能分析及結(jié)構(gòu)計算方法研究，并提出合理有效的抗沖擊措施。主要的研究內(nèi)容有：
　?。?）利用顯式動力分析程序 ANSYS/LS-DYNA進行數(shù)值模擬分析，自編前處理子程序建立幾何模型，桿件材料選擇適用于沖擊作用的 Cowper-Symbols率相關(guān)本構(gòu)模型方程，接觸算法為基于罰函數(shù)法的點面接觸。闡述了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在沖擊荷

3、載作用下的動力響應(yīng)分析方法，并提出了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進行沖擊動力分析時數(shù)值模型的實現(xiàn)方法。
　?。?）選用K6型單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)作為分析模型，展開在沖擊荷載作用下單層網(wǎng)殼的全過程動力分析，研究了在不同沖擊荷載下單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特點與沖擊響應(yīng)模式，提出結(jié)構(gòu)不同沖擊響應(yīng)模式的各臨界狀態(tài)判斷指標(biāo)，計算出不同沖擊響應(yīng)模式之間所對應(yīng)的臨界能量，并從結(jié)構(gòu)吸收能量的角度揭示網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的破壞機理。將網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的沖擊響應(yīng)模式和破壞等級結(jié)合

4、起來，提出了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的動力判別指標(biāo)和性能等級分類以及相應(yīng)的控制量化指標(biāo)。
　?。?）進行基于不同沖擊荷載加載點的單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)研究，得到網(wǎng)殼的最不利加載點。提出適合于單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)沖擊碰撞問題的動力穩(wěn)定性判定準(zhǔn)則，在結(jié)構(gòu)最不利加載點處施加沖擊荷載，分析結(jié)構(gòu)的動力穩(wěn)定性。結(jié)合動力響應(yīng)特性和沖擊響應(yīng)模式得到?jīng)_擊荷載作用下單層網(wǎng)殼動力失穩(wěn)的臨界能量區(qū)域以及沖擊能量與位移之間的關(guān)系，并從結(jié)構(gòu)矢跨比、跨度等方面對結(jié)構(gòu)進行參數(shù)分析。<

5、br>　?。?）研究了帶下部支承柱單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的抗沖擊動力性能，基于對468個工況的分析，對支承部位及上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特征展開研究。總結(jié)了下部支承柱受沖擊作用時，整體結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)模式以及結(jié)構(gòu)在各種沖擊響應(yīng)模式中的動力響應(yīng)特征和能量傳遞轉(zhuǎn)換關(guān)系；并分別對不同沖擊點高度、沖擊物質(zhì)量及速度三個參數(shù)進行規(guī)律性研究。將上下部結(jié)構(gòu)進入塑性的桿件所占比例和結(jié)構(gòu)變形的大小為基本指標(biāo)，將帶下部支承柱受沖擊作用時，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的破壞程度劃分為：基本完好

6、，輕微破壞，中等破壞，嚴重破壞四個等級，并提出了每種破壞等級相對應(yīng)的評判指標(biāo)。
　?。?）分別對大比例的落地網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型與帶下部支承鋼管柱網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型進行沖擊試驗研究，沖擊試驗在本課題團隊自行設(shè)計的沖擊試驗臺上進行，借助高速攝影機拍攝沖擊歷程、網(wǎng)殼變形及破壞形態(tài)，通過動態(tài)應(yīng)變儀、位移傳感器和加速度傳感器得到了在沖擊荷載下網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵桿件和關(guān)鍵節(jié)點的時程響應(yīng)數(shù)據(jù)。對比分析試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果，研究了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特點與傳播規(guī)律

7、，驗證了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)模式和數(shù)值模擬的正確性。
　　（6）依據(jù)分析得到的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的動力特性，基于凱威特型單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件靈敏度和關(guān)鍵構(gòu)件的分布情況，得出 K6型單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的第三環(huán)是臨界區(qū)域。提出四種網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)抗沖擊方法，從結(jié)構(gòu)冗余度和抗沖擊性能兩方面對抗沖擊防護設(shè)計效果進行驗證。結(jié)果表明，補強高靈敏度的構(gòu)件，能夠從一定程度上提高網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的冗余度，使得在用鋼量增加不多的情況下可以有效的提高結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力。