【摘要】：隨著人類社會(huì)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(xiǎn)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(huì)造成無(wú)法估量的嚴(yán)重后果。這類極端偶然作用往往能夠在很大程度上簡(jiǎn)化為沖擊荷載,結(jié)構(gòu)在這種荷載的作用下必然會(huì)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(dòng)力性能有著迫切的現(xiàn)實(shí)意義。這要求我們必須對(duì)沖擊荷載下單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特性與防護(hù)方法及措施展開(kāi)詳細(xì)的研究。本文將通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法,展開(kāi)對(duì)不同沖擊荷載下單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能分析及結(jié)構(gòu)計(jì)算方法研究,并提出合理有效的抗沖擊措施。主要的研究?jī)?nèi)容有:(1)利用顯式動(dòng)力分析程序ANSYS/LS-DYNA進(jìn)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(diǎn)面接觸。闡述了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)分析方法,并提出了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊動(dòng)力分析時(shí)數(shù)值模型的實(shí)現(xiàn)方法。(2)選用K6型單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)作為分析模型,展開(kāi)在沖擊荷載作用下單層網(wǎng)殼的全過(guò)程動(dòng)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(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn)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(jì)算出不同沖擊響應(yīng)模式之間所對(duì)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(jī)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(jí)結(jié)合起來(lái),提出了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力判別指標(biāo)和性能等級(jí)分類以及相應(yīng)的控制量化指標(biāo)。(3)進(jìn)行基于不同沖擊荷載加載點(diǎn)的單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)研究,得到網(wǎng)殼的最不利加載點(diǎn)。提出適合于單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)沖擊碰撞問(wèn)題的動(dòng)力穩(wěn)定性判定準(zhǔn)則,在結(jié)構(gòu)最不利加載點(diǎn)處施加沖擊荷載,分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力穩(wěn)定性。結(jié)合動(dòng)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(dòng)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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)分析。(4)研究了帶下部支承柱單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的抗沖擊動(dòng)力性能,基于對(duì)468個(gè)工況的分析,對(duì)支承部位及上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特征展開(kāi)研究。總結(jié)了下部支承柱受沖擊作用時(shí),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(dòng)力響應(yīng)特征和能量傳遞轉(zhuǎn)換關(guān)系;并分別對(duì)不同沖擊點(diǎn)高度、沖擊物質(zhì)量及速度三個(gè)參數(shù)進(jìn)行規(guī)律性研究。將上下部結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí),網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的破壞程度劃分為:基本完好,輕微破壞,中等破壞,嚴(yán)重破壞四個(gè)等級(jí),并提出了每種破壞等級(jí)相對(duì)應(yīng)的評(píng)判指標(biāo)。(5)分別對(duì)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(jìn)行沖擊試驗(yàn)研究,沖擊試驗(yàn)在本課題團(tuán)隊(duì)自行設(shè)計(jì)的沖擊試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行,借助高速攝影機(jī)拍攝沖擊歷程、網(wǎng)殼變形及破壞形態(tài),通過(guò)動(dòng)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(diǎn)的時(shí)程響應(yīng)數(shù)據(jù)。對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果,研究了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn)與傳播規(guī)律,驗(yàn)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(dòng)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(duì)抗沖擊防護(hù)設(shè)計(jì)效果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明,補(bǔ)強(qiáng)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。此外,結(jié)構(gòu)中全部或部分使用方鋼管可以對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)起到較好的抗沖擊效果。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TU399

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2469468