冲击荷载下考虑节点刚度的单层球面网壳结构动力响应分析

【摘要】：大跨度空间结构形式多样、造型优美、受力合理,越来越多的应用在各种体育场馆、歌剧院、火车站及机场航站楼等建筑中,并且是一个国家建筑水平的标志,同时也是国家经济、文化和文明发展的象征,因此成为工程结构领域抗震、抗冲击、抗风等研究的热点。伴随着大跨度网壳结构在大型公共建筑中的应用,很多研究者开始考虑网壳结构在爆炸、冲击等偶然荷载作用下的性能。尽管冲击荷载属于偶然荷载,近年来由于恐怖袭击、高空坠物等原因,冲击对结构的影响越来越受到研究者的关注。目前网壳结构冲击性能的研究多以数值分析为主、缩尺试验为辅。以往的网壳冲击数值模拟主要以ANSYS/LS-DYNA为基础,而为了简化计算,网壳多以梁单元建模,材料模型选用适用于钢材的分段线性塑性材料模型。选用梁单元时,网壳球节点简化为刚性点,此种有限元分析方法没有考虑空心球大小、厚度等对节点刚度的影响,本文采用ANSYS/LS-DYNA软件中的SHELL163壳单元模拟钢管杆件和空心球节点,建立了节点的精细化有限元模型,分析了冲击荷载作用下节点的动力响应,对缩尺节点模型进行了冲击荷载试验,通过对比分析数值模拟结果和试验结果,验证了有限元分析的有效性;基于精细化有限元分析方法的可靠性,建立了K6型单层球面网壳节点的模型,分析了不同参数节点在冲击荷载作用下的动力响应;建立了K6型单层球面网壳的整体精细化模型,研究了考虑节点刚度的网壳结构在冲击荷载作用下的动力响应,并与传统BEAM161梁单元模型进行了对比分析。主要的研究内容有:(1)单层球面网壳结构考虑节点刚度的数值模拟方法。提出了一种可考虑焊接球节点几何尺寸的精细化数值模拟方法,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面面接触算法。(2)选用不同尺寸的缩尺十字型空心球节点作为试验模型,基于30个不同冲击荷载试验工况,采集了关键节点的位移、加速度、应变等数据,展开了节点从弹性状态到破坏状态的全过程动力响应分析;建立了节点的精细化有限元模型,通过与动力响应试验结果的对比分析,验证了考虑节点刚度的数值模拟方法的有效性。(3)建立多组球面网壳焊接空心球节点精细化模型,通过分析冲击荷载下节点的塑性变形、冲击力、位移、能量,研究了冲击荷载下不同厚度节点的动力响应,以及不同冲击物密度、不同冲击物速度、不同冲击角度、不同杆件直径、不同杆件截面形式对节点动力响应的影响规律。(4)建立了K6型单层球面网壳的整体精细化模型与传统梁单元模型,分析不同冲击速度和质量下网壳结构的动力响应模式,同时分析每种响应模式下两种模型的冲击力、位移、能量的不同及对网壳结构的动力响应影响。