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冲击荷载下网壳结构的失效机理研究

王多智  
【摘要】:随着大跨度网壳结构在重要大型公共建筑中的不断应用,人们开始考虑网壳结构在冲击、爆炸等偶然荷载下的性能。而尽管冲击荷载属于偶然荷载,近年来由于恐怖袭击等原因,发生概率不断增加;最为典型的是9.11事件,世贸双塔的设计代表了当代先进的设计水平,甚至曾考虑过Boeing707的撞击作用,但撞击及其并发作用仍然导致结构连续倒塌。此外,上世纪八十年代,一架轻型飞机坠入巴西圣保罗展览中心屋顶网架,也证明了飞行物撞击大跨结构的可能性。而目前国内外结构抗冲击的研究却比较滞后,网壳结构冲击响应的分析方法、失效模式及失效机理等许多问题亟待研究和解决。这些问题的研究不仅在网壳结构的抗冲击研究中有着迫切的需要,而且在类似的大型复杂结构抗冲击研究中也几乎处于空白阶段,有着广泛的研究前景和实际意义。鉴于上述原因,本文首先提出网壳结构冲击响应的分析方法,然后对冲击荷载下网壳结构的失效模式及其机理进行深入系统的研究,并通过大规模参数研究总结分析网壳结构的失效规律,此外,通过网壳结构缩尺模型的冲击试验验证了分析方法及分析结论的正确性,最后提出冲击荷载下网壳结构的防护设计建议。这些内容具体包括: 1.网壳结构冲击响应分析方法 本文建立了实用有效的网壳结构冲击响应分析方法,首先确定了网壳结构冲击响应研究的特征指标,包括荷载作用、网壳结构的特征响应两方面内容,然后探讨了网壳结构冲击响应的分析流程,并建立了网壳结构冲击响应分析的精确数值计算模型,此外,阐述了这一分析方法的具体实施过程; 2.冲击荷载下网壳结构的失效模式与机理 通过大量的参数计算研究网壳结构的冲击响应特性,总结分析了网壳结构冲击失效的四个典型算例,并分别以单层球面网壳和单层柱面网壳为例,详述了网壳结构冲击失效的全过程及其荷载作用与结构特征响应;然后依据不同冲击荷载下网壳的冲击失效特点,定义了网壳结构的三类失效模式,并根据冲击失效过程中的能量传递特点将冲击失效过程分为三阶段,同时揭示了每类失效模式对应的失效机理; 3.网壳结构冲击失效规律分析 通过大量的参数分析研究网壳结构的冲击失效规律,考察了结构最大响应/失效模式随网壳获取的总冲击能量的变化规律,并探讨了冲击物初动能对结构最大响应/失效模式的影响;此外,提出用整体倒塌失效系数作为结构抗冲击能力的评定指标,然后通过变化荷载与结构参数对冲击荷载下网壳结构的整体倒塌失效规律进行大量的参数分析,确定了易于产生整体倒塌的初始冲击条件。 4.网壳结构冲击试验研究 为验证网壳结构冲击响应分析方法及分析结论的正确性,对Kiewitt-6型单层球面网壳缩尺模型进行了系统的试验研究,试验内容包括模态分析、弹性冲击试验与破坏性冲击试验三部分,通过试验与数值结果(包括频率、振型、冲击力、杆件应力与破坏形态)的对比分析,证明了本文提出的分析方法及分析结论的正确性,此外,通过对比分析探讨了冲击物初始偏转、支座约束条件、加工误差、阻尼力等因素对结构最大冲击响应的影响原因及影响程度。 5.冲击荷载下网壳结构的防护设计方法及建议 以网壳结构的冲击失效机理与冲击失效规律为理论基础,以防止结构在冲击荷载下出现整体倒塌为防护目标,提出冲击荷载下网壳结构的三种防护设计方法:轻屋面、整体加强法和临界位置加强法,并分别对三种方法的防护效果进行对比分析;在此基础上,综合考虑防护效果与经济条件,提出冲击荷载下网壳结构的防护设计建议;与前文内容相结合,形成了完整的网壳结构抗冲击研究的理论框架。


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