桅杆结构有限元模型修正与参数敏感性研究

基于台风“圆规”激励下的实测加速度响应识别了深圳356 m高气象梯度观测塔的模态参数,结合带精英策略的快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对气象塔有限元模型进行修正。结果表明:气象塔模态非常密集,且纤绳模态的参与程度较为显著。气象塔X向和Y向的基频分别为0.614 Hz和0.603 Hz,其前3阶弯曲模态阻尼比在1%~2%之间。塔身密度、纤绳弹模对塔身模态频率和振型有显著影响,高层纤绳的线质量和塔身弹模对其也有一定影响,但纤绳张力的影响较低。气象塔有限元模型修正后的风致响应高于修正前,并更接近实测结果,验证了修正模型的准确性。

抢险车对92m跨度复合材料桁架桥动态响应的影响

为研究大跨径桁架式纤维增强复合材料(FRP)应急抢修桥梁成桥后的动力性能,基于导梁推送施工92 m跨度的FRP桁架桥模型,编制FRP桁架桥的车桥耦合算法,研究抢险车辆的车速、质量及路面不平顺对FRP桁架桥的跨中竖向位移、竖向加速度和关键杆件轴向应力等指标的影响.结果表明:路面越不平顺,车辆对桥梁结构的冲击作用越大,且路面等级对竖向位移的影响大于对关键杆件轴向应力的影响;车速为20~50 km/h时,车速变化对冲击系数影响较小,但车速超过50 km/h时,车速的影响逐渐增大;车辆质量对桥梁各项指标动力响应的峰值曲线呈线性增大趋势.当车辆质量为2.80×10^(4)kg,车速30 km/h时,最大跨中竖向位移为167 mm,未超过抢修桥梁位移限值(L/120),表明该桥梁的设计可以满足抢险的通行要求.

基于行波理论的桁架结构传感器优化布设方法研究

针对桁架结构传感器优化布设问题,根据行波在桁架结构中的传播特性,以损伤敏感程度最大化为目标,引用图论,并结合行波动力学,提出基于行波的传感器优化布设方法。将桁架的杆件、节点与图论的边、节点建立映射关系,对图论中的广度搜索法进行改进,以考虑行波在桁架结构中沿节点散射和反射的特点,获得行波在桁架结构中的传播路径。通过行波动力学分析,计算各类节点连接形式的行波传递系数,进而与传播路径相结合求得相同时间内所有节点对行波所致振动的敏感系数。基于敏感系数求取敏感总值矩阵,找出对各杆件最为敏感的激励点和传感器布置点。仿真模型和实验桁架结果表明,所提方法所得传感器布置位置对损伤最为敏感,为大型桁架结构传感器优化布设提供了新的方法支撑。

环氧树脂混凝土装配式桁架下弦K型节点力学试验及有限元分析

通过静力试验研究了环氧树脂混凝土装配式桁架下弦K型节点的破坏形态、承载能力和节点板的应力与应变分布情况,并进行了有限元模拟分析。结果表明:环氧树脂混凝土下弦K型节点在下弦杆靠近节点板的两侧出现5条竖直裂缝,最终节点板左侧下弦杆处的竖直裂缝前后贯通,弦杆发生拉弯破坏,节点的极限承载力为421.5 kN;有限元模拟结果与试验结果吻合较好,验证了有限元模拟的可靠性。

考虑螺栓滑移效应的角钢输电塔抗震性能研究

为研究螺栓滑移效应对角钢输电塔抗震性能的影响,利用ABAQUS有限元软件中的非线性弹簧模拟角钢输电塔节点的刚度特性,建立考虑螺栓滑移效应的角钢输电塔有限元模型,基于数值模型开展角钢输电塔的动力特性、地震响应、失效倒塌和地震易损性分析.结果表明:考虑螺栓滑移效应后,角钢输电塔的振型不变但各阶自振频率有不同程度的降低,说明在传统设计方法中高估了角钢输电塔的整体刚度.考虑螺栓滑移效应后,角钢输电塔在地震作用下的主材轴力响应、塔身位移响应和易损性增加,其失效机理和倒塌形式也发生改变.在抗震设计中考虑螺栓滑移效应的影响有助于准确预测角钢输电塔的失效位置,对保障震区输电线路的可靠性与安全性有重要意义.

考虑不同失效模式的索杆结构构件面积缺损限值研究

索杆结构长期服役过程中的锈蚀会造成构件截面损失,导致结构内力的重新分配,影响结构的安全性能。文中基于可靠度理论与结构极限状态分别建立了构件强度失效、钢索松弛失效及节点变形失效3种失效模式,并得到了不同失效模式临界状态下的可靠度限值控制不等式;通过力学推导,给出了以缺损面积为变量的杆件内力与节点位移变化公式,依据该公式可计算出可靠度限值控制不等式中的影响系数矩阵;引入钢材的锈蚀模型并结合非线性规划,提出了一种确定索杆结构构件面积缺损限值的方法。对一Levy型索穹顶的构件面积缺损限值进行了算例分析,并与规范限值进行对比。结果表明:索杆结构中的多数构件在强度失效与变形失效模式下的面积缺损限值高于耐久性限值,但松弛失效模式下的构件面积缺损限值小于耐久性限值,如按该限值要求对结构进行设计及维护将有可能发生钢索松弛失效;而安全性限值对于钢索构件较为严格,对于钢杆构件则与耐久性限值相同。因此,需综合考虑3种失效模式与规范限值,并按最严格的结果进行控制。

基于双线性类桁架材料模型的拉-压杆拓扑优化设计

拉-压杆模型是复杂钢筋混凝土结构配筋设计的标准方法之一,采用拓扑优化建立复杂应力区域的拉-压杆模型具有十分重要的意义.渐进结构优化类算法和各向同性材料惩罚模型类算法已经广泛应用于此类研究,这些算法的优化对象为各向同性的等厚度带孔板,其本质是在最优解附近寻找近似解.此外,由于应力-应变曲线不光滑的特性给求解优化问题带来困难,现有拉-压杆构建方法很少考虑材料拉压性能不同对最优拓扑产生的影响.本文提出了一种基于双线性类桁架材料模型的拓扑优化算法,以寻求复杂混凝土结构中拉-压杆的最优拓扑构型.该方法以结点位置正交杆件的密度和方向作为设计变量,拉伸区和压缩区的材料特性分别与钢筋的拉伸模量和混凝土的压缩模量一致.采用材料替换方法克服拉压异性模量引起的非线性问题,并给出了单元刚度矩阵的修正方法.优化问题采用基于灵敏度信息的迭代算法求解.数值算例表明,结构拉压性能差异对最优拓扑结构产生显著影响.与现有基于单元密度的优化方法相比,所提方法能够准确描述复杂应力状态下的材料最优分布场,计算效率提高约26%,同时给出更多材料分布细节.

融合机器学习的空间结构智能损伤识别理论研究

为应对大跨空间网架损伤定位中动力指纹同损伤情况之间非线性映射关系难以求解的问题,依托实际工程模型验证了一种基于径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络的改进空间结构损伤识别方法。该方法首先建立初始损伤工况同动力指纹数据间的映射,通过对比改进前后对验证工况下实测数据对应杆件的损伤指数识别,发现此方法能够提高网架杆件损伤预测结果10%左右的精确度,从而更快更准确地解决大跨空间结构损伤定位问题。

外包式柱脚传力机理及内力分布研究

为探究外包式柱脚的传力机理及内力分布状况,基于塑性损伤理论建立了外包式柱脚有限元仿真模型。通过模拟数据分析了钢柱在加载过程中各截面内力变化,研究了钢柱与外包层之间的相互作用机制及内力传递机理;对有、无栓钉外包式柱脚的内力分布进行了对比,研究了栓钉在内力传递过程中的作用及影响。研究结果表明,内力通过钢柱与外包层之间界面的接触应力及栓钉的作用力进行传递,在柱脚底部截面钢柱已将大部分内力传递给外包层;栓钉在内力传递过程中发挥了积极的作用,促进了钢柱将内力传递给外包层;布置栓钉有利于减轻钢柱底板下面混凝土的局部承压,改善锚栓的受力状况。

大学生结构设计竞赛中空间杆系结构力学特性分析

针对历年大学生结构设计竞赛中空间杆系结构的赛题,以复压竹皮和竹杆为原材料设计空间杆系结构并进行其结构形式分析。利用有限元软件MIDAS Gen建模和计算,对系列空间杆系结构在多种荷载工况下的应力和位移进行数值模拟仿真,分析其承载能力和变形特征,总结出空间杆系结构在荷载组合工况下的强度、变形等力学特性以及结构优化的有效措施。

基于数据驱动的桁架优化设计方法

针对目前圆管带式输送机桁架有限元分析和优化方法中存在的过程繁琐以及仿真速度、目标性差等问题,提出了利用数据驱动方法来优化改进圆管带式输送机桁架的方法,从而简化有限元分析和优化过程,减少分析和优化时间。首先明确桁架的加载方式及荷载值,运用控制变量法、数值模拟法及工程经验选取桁架最终构型并进行有限元分析。其次以实际仿真值作为输入值,建立基于数据驱动的优化网络模型。最终在不超过最大应力的条件下,利用优化网络模型获得桁架质量的寻优结果。结果表明,基于数据驱动的优化方法在圆管带式输送机桁架优化上具有快速性和准确性的优势,能够满足工程需要。

自锁式正四棱柱结构单元的构形参数研究

展开后自锁式折叠网架结构具备自动锁定外形的能力,常用于军事、救灾等场景中。为此,对一种常用的网架基本组成单元,即正四棱柱结构单元的构形设计参数进行了系统研究。基于结构单元的构形设计原理,选取了三个构形设计参数作为研究对象。对系列结构单元的折叠过程进行了有限单元建模分析,探讨了参数取值对关键自锁能力以及折叠展开中截面内力的影响。结果表明,自锁能力及内力幅值曲线的变化趋势一致,且二者均随着控制结构单元外形两个参数值的增加而非线性地减小,而在另一个参数(决定内部节点的位置)情况中则呈相反变化,为保证整体网架结构具备合适的自锁能力需要在合理的参数范围内取值。

改进VMD及其在时变结构地震响应瞬时频率识别中的应用

强地震动作用下,结构动力特性因损伤将随时间变化,变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)可用于分析结构地震响应的瞬时频率变化规律,揭示地震过程中结构的损伤状态。针对人为预设分解模态数K和二次惩罚因子α参数不准确导致VMD非平稳响应出现模态混叠的问题,提出了一种改进的VMD(Improved VMD,IVMD)算法,结合Hilbert变换(HT)可准确识别非平稳地震激励下时变结构的瞬时频率。采用多重信号分类(Multiple Signal Classification,MUSIC)算法确定分解模态数K,基于整体正交系数和能量比系数构建综合目标函数,并采用樽海鞘算法(Slap Swarm Algorithm,SSA)优化确定二次惩罚因子。在优化确定K和α参数的基础上,结合IVMD和HT识别时变结构地震响应瞬时频率。典型模拟信号和地震激励下4层时变框架结构数值模拟响应表明,相比VMD算法,IVMD算法识别得到的瞬时频率精度更高;12层钢筋混凝土框架结构模型地震模拟振动台试验数据验证了所提方法的实用性。

基于杆系离散元理论考虑构件断裂的单层网壳结构倒塌破坏模拟研究

塑性铰模型计算效率高,可快速获得结构宏观破坏模式,韧性断裂损伤模型从微观机制揭示钢材的断裂机理,可较准确预测钢材的断裂行为。为此,该文基于杆系离散元理论,将两者联合建立构件断裂模拟算法,既具有计算效率高的优势又保证构件断裂模拟的精度。首先介绍杆系离散元法的基本理论,以及宏观塑性铰模型和微观韧性断裂损伤模型具体计算流程;然后给出将两者联合分析的具体实施策略,即以接触截面边缘最不利点处的应力作为整个截面的应力状态,进而调用韧性断裂损伤模型。最后采用Fortran语言编制相应的分析程序,并通过悬臂梁断裂算例和单层网壳振动台倒塌试验,验证该算法对模拟杆件断裂行为的可行性和有效性。杆系离散元法模拟构件断裂时,截面发生开裂,颗粒间发生脱离是一个自然的过程,无需其他任何修正即可实现结构由连续体状态向断裂后非连续体状态过渡,与有限元方法相比,不存在网格畸变重划分、迭代不收敛的问题,更具计算优势,为大跨空间网壳结构倒塌破坏分析提供新的计算手段。

高层建筑施工剪力墙结构连梁节点受力数值模拟

为评估高层建筑施工中剪力墙结构连梁节点的受力性能,提出了一种基于有限元数值模拟的方法。试验结果表明:该方法能有效模拟连梁节点的实际受力状态,试件的承载能力与轴压比和暗支撑配筋率正相关,且随梁端位移增加,承载力退化系数先升后降,在配筋率为1%~2%时,试件稳定性表现优异,具备良好的变形能力和延性。

火灾下加设光伏板的下撑式檩条结构受力性能研究

轻钢厂房在加设光伏板后,增加的屋面恒荷载将导致简支檩条变形增大,往往会超出规范允许的限值,可采用下撑式檩条对结构进行加固,提高檩条的刚度和承载力。鉴于轻钢厂房的屋面檩条一般不进行被动防火保护,故有必要对火灾下加设光伏板的下撑式檩条结构的受力性能进行研究。研究结果表明:常温下,简支檩条的变形才是影响檩条安全的关键因素,通过采用下撑式檩条结构可有效提高檩条的刚度和承载力;火灾下,采用下撑式檩条仍然可以有效提高檩条的刚度,但对于檩条承载力的提高较为有限。因此,对于采用下撑式檩条加固的屋面,应该对下撑式檩条进行被动防火保护,比如刷防火涂料,确保下撑式檩条可以有效发挥作用。

一种避雷跨接钢筋弯曲装置的研发

为了确保引下线避雷跨接的施工质量,本文借鉴弯曲机器流水作业的高效率特性、弯曲机弯折角度的一致性特点,研制了效率更高、合格率更高的避雷跨接钢筋弯曲装置。通过参考各类钢筋加工机具及手工弯曲制作施工案例,创新研发与改良的钢筋弯曲装置,大幅提高了弯曲加工效率及施工合格率,经过施工现场实际应用,此装置易操作且实用性强。

三维杆系结构的几何非线性有限元分析

为了更准确地描述杆系结构的几何非线性性能,建立了一种基于三维梁单元有限元分析的计算方法。引入了考虑两方向曲率和扭转角变化的坐标转换矩阵来描述任意增量下的单元平移和转动;采用了包括轴向变形和扭转的非线性项的刚度矩阵来考虑高阶非线性项的影响。应用广义位移控制法进行增量迭代,编制了相应的三维梁单元非线性计算程序NL_Beam3D。通过对几个例子进行的分析,验证了该方法可较好地考虑结构几何非线性。

索杆张力结构自应力模态分析及预应力优化

分析了现有各种求解索杆张力结构初始预应力方法的局限性,充分考虑对称性和整体可行性,从平衡矩阵理论出发利用奇异值分解法提出了一种旨在求解各种张力结构体系的整体自应力模态的求解方法,并对具有多个整体自应力模态的索穹顶结构采用修正单纯形法、以外圈环索初内力最小为优化目标进行了预应力优化。研究表明,充分考虑对称性和整体可行性的奇异值分解法能求解各种体系的整体自应力模态,预应力优化能求得满足条件的合理初始预应力分布。

钢管混凝土结构材料非线性的一种有限元分析方法

为了更简单地考虑梁单元的材料非线性受力性能,把断面广义力和广义应变的概念运用于单元分析中,将单元的弹塑性刚度矩阵分离为弹性刚度矩阵和塑性刚度矩阵。这样,梁单元的变形可以由弹性变形和塑性变形简单地迭加,结构内力可通过弹性应变能的斜率(弹性刚度矩阵)与位移的乘积求得,从而在增量-迭代计算时可较准确且较快地计算出结构变形后的不平衡力。应用这一计算方法,推导了基于纤维模型的三维梁单元的钢管混凝土结构的有限元基本公式,并将其植入能考虑几何非线性的三维梁单元非线性计算程序NL_Beam3D中以计算结构的双重非线性问题。算例分析表明该方法和程序能较准确地反映钢管混凝土结构的双重非线性特性。