冲击荷载下单层网壳结构动力响应分析与试验研究

发布时间：2019-05-05 09:48

【摘要】：随着人类社会复杂程度日益加深,结构在使用阶段遭受炸弹爆炸和汽车碰撞等这类极端偶然荷载作用的风险也在加大。大跨网壳结构一般都是人流量较大的重要建筑,一旦在极端偶然事件下发生破坏甚至倒塌,都可能会造成无法估量的严重后果。这类极端偶然作用往往能够在很大程度上简化为冲击荷载,结构在这种荷载的作用下必然会出现一定程度的破坏。因此,研究在冲击荷载作用下大跨网壳结构的动力性能有着迫切的现实意义。这要求我们必须对冲击荷载下单层网壳结构的动力响应特性与防护方法及措施展开详细的研究。本文将通过理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法,展开对不同冲击荷载下单层网壳结构的动力性能分析及结构计算方法研究,并提出合理有效的抗冲击措施。主要的研究内容有:(1)利用显式动力分析程序ANSYS/LS-DYNA进行数值模拟分析,自编前处理子程序建立几何模型,杆件材料选择适用于冲击作用的Cowper-Symbols率相关本构模型方程,接触算法为基于罚函数法的点面接触。阐述了网壳结构在冲击荷载作用下的动力响应分析方法,并提出了网壳结构进行冲击动力分析时数值模型的实现方法。(2)选用K6型单层球面网壳结构作为分析模型,展开在冲击荷载作用下单层网壳的全过程动力分析,研究了在不同冲击荷载下单层网壳结构的动力响应特点与冲击响应模式,提出结构不同冲击响应模式的各临界状态判断指标,计算出不同冲击响应模式之间所对应的临界能量,并从结构吸收能量的角度揭示网壳结构的破坏机理。将网壳结构在冲击荷载作用下的冲击响应模式和破坏等级结合起来,提出了网壳结构的动力判别指标和性能等级分类以及相应的控制量化指标。(3)进行基于不同冲击荷载加载点的单层球面网壳结构动力响应研究,得到网壳的最不利加载点。提出适合于单层网壳结构冲击碰撞问题的动力稳定性判定准则,在结构最不利加载点处施加冲击荷载,分析结构的动力稳定性。结合动力响应特性和冲击响应模式得到冲击荷载作用下单层网壳动力失稳的临界能量区域以及冲击能量与位移之间的关系,并从结构矢跨比、跨度等方面对结构进行参数分析。(4)研究了带下部支承柱单层网壳结构的抗冲击动力性能,基于对468个工况的分析,对支承部位及上部网壳结构的动力响应特征展开研究。总结了下部支承柱受冲击作用时,整体结构的冲击响应模式以及结构在各种冲击响应模式中的动力响应特征和能量传递转换关系;并分别对不同冲击点高度、冲击物质量及速度三个参数进行规律性研究。将上下部结构进入塑性的杆件所占比例和结构变形的大小为基本指标,将带下部支承柱受冲击作用时,网壳结构的破坏程度划分为:基本完好,轻微破坏,中等破坏,严重破坏四个等级,并提出了每种破坏等级相对应的评判指标。(5)分别对大比例的落地网壳结构模型与带下部支承钢管柱网壳结构模型进行冲击试验研究,冲击试验在本课题团队自行设计的冲击试验台上进行,借助高速摄影机拍摄冲击历程、网壳变形及破坏形态,通过动态应变仪、位移传感器和加速度传感器得到了在冲击荷载下网壳结构关键杆件和关键节点的时程响应数据。对比分析试验结果与数值模拟结果,研究了网壳结构的动力响应特点与传播规律,验证了网壳结构冲击响应模式和数值模拟的正确性。(6)依据分析得到的网壳结构在冲击荷载作用下的动力特性,基于凯威特型单层网壳结构的构件灵敏度和关键构件的分布情况,得出K6型单层球面网壳结构中的第三环是临界区域。提出四种网壳结构抗冲击方法,从结构冗余度和抗冲击性能两方面对抗冲击防护设计效果进行验证。结果表明,补强高灵敏度的构件,能够从一定程度上提高网壳结构的冗余度,使得在用钢量增加不多的情况下可以有效的提高结构的抗冲击能力。此外,结构中全部或部分使用方钢管可以对网壳结构起到较好的抗冲击效果。
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【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU399

【共引文献】