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多点冲击荷载下考虑节点刚度影响的单层球面网壳结构失效机理研究

苟宝龙  
【摘要】:网壳结构因其超大的室内空间和美丽的外形而备受人们青睐,它作为大跨空间结构的结构形式之一,由于其受力合理、刚度大、重量轻、结构形式多样等特点,越来越广泛地应用在大中型城市的体育馆、博物馆、展览馆、歌剧院等一些建筑中,作为地标性建筑,标志着当地现代建筑科学技术与经济水平的提升。然而,随着网壳结构在重大工程中的不断应用,此类人群密集的建筑结构在意外荷载下的失效倒塌问题也越来越受人们的关注,特别是在遭遇地震、台风、战争、恐怖袭击等事故时造成的飞射物、战时炮弹、飞机撞击等偶然冲击荷载作用下,它能否保证人们的生命和财产安全。对此,国内外学者也做了大量的研究,并取得了丰硕成果,但是研究成果多数停留在数值模拟阶段,而且均未考虑冲击物数量和冲击位置的不确定性,也未考虑节点刚度对网壳结构冲击动力响应的影响。本文在前人的研究基础上采用数值模拟与试验研究相结合的方法对此做了进一步研究,并且考虑了已有研究成果中未曾考虑的影响因素对研究结果的影响。具体研究内容如下:(1)单层球面网壳结构多点冲击响应数值模拟方法。基于ANSYS/LS-DYNA显式分析程序,提出了一种可考虑焊接球节点几何尺寸和节点体积的精细化建模方法,该方法中钢材材料模型选用适用于冲击作用的Cowper-Symbols率相关的本构模型,接触算法采用基于罚函数法的点面接触算法。同时,探究了网壳结构在LS-DYNA程序中实现多点冲击荷载施加的方法;(2)基于上述精细化数值模拟方法,选用K6型单层球面网壳为研究对象,通过变化焊接球节点的壁厚和直径来改变焊接球的刚度,分析了10个典型算例的动力响应与最终失效变形模式,总结了节点刚度对于多点冲击荷载作用下单层球面网壳结构的动力响应和失效模式的影响规律;(3)为了验证网壳结构多点冲击响应分析方法及精细化数值模拟方法的正确性,对K6型单层球面网壳进行了模型试验研究。首先,分别对网壳焊接球节点、斜杆、环杆和肋杆进行了拉伸试验,得到了材料的力学性能参数,利用试验所得材料性能参数对有限元模型进行了修正。其次,在自行设计的冲击试验台上对网壳整体模型进行了多点弹性冲击试验、多点弹塑性冲击试验和多点破坏性冲击试验,分析总结了网壳结构冲击全过程的动力响应规律,利用高速摄像机拍摄了冲击全过程网壳的整体变形,并与有限元分析结果进行了对比,验证了精细化有限元分析方法的正确性;(4)对多点冲击荷载作用下的K6型单层球面网壳结构展开了大量参数分析,并考虑了冲击速度、冲击物质量、冲击点数量、冲击点分布位置对网壳结构动力响应和失效模式的影响。依据网壳结构最终失效变形特点,定义了网壳结构在多点冲击荷载作用下的六类典型失效模式,并探讨了易于引起网壳结构整体失效倒塌的冲击条件。基于多点冲击全过程的能量分析,提出了可依据网壳结构重力势能损失量△U的大小来判别网壳结构的失效模式类型及评估网壳结构被冲击后损伤程度的评定方法,最后探讨了如何提高单层球面网壳结构的耗能能力。


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