钢框架-带竖缝钢板剪力墙系统的塑性耗能评估

从耗能视角出发,提出了结构基于塑性耗能的抗震性能评估方法.结合理论推导和有限元数值方法建立了以弯曲小柱作为耗能子单元的带竖缝钢板剪力墙(SSWS)塑性耗能计算方法.基于钢框架及SSWS的协同耗能机制,提出了考虑地震动力特性的损伤指标.通过有限元参数分析、既有的试验结果的校验及钢框架-带竖缝钢板剪力墙结构算例非线性时程分析,证明SSWS塑性耗能计算方法及结构体系评估方法有良好精度,可用以评估结构在给定地震动下的行为.

拉力机构与缓冲器塑性耗能的设计理论研究

建立了理想刚塑性钢条、板条在大曲率拉弯过程中的塑性耗能量函数与拉力函数．理论研究表明：当理想刚塑性钢条、钢带大曲率绕过多个轮子的机构时，其所需拉力的大小正比于拉弯变形的次数而反比于轮子的工作半径。

基于等效单自由度体系的结构塑性耗能估计

针对以某一阶振型为主的多自由度体系,基于等效单自由度体系基本假定和拟力法基本原理,建立了多自由体系和等效单自由度体系塑性耗能的关系公式,并以此提出估算多自由度体系塑性耗能的方法.以一个五层钢框架结构为例,利用MATLAB进行编程,输入4组不同的地震输入,分别获得了该结构与等效单自由度体系的塑性耗能曲线,并进行分析比较.结果表明,提出的基于等效单自由度体系估算结构塑性耗能,是一个概念清晰且计算简便的方法.

结构附属物的塑性耗能及减振分析

工程结构中的顶部附属物受地震作用产生放大效应，使附属物的动力反应远大于主结构的反应，较早进入塑性破坏．然而从另一方面看，这种放大的效应将在早期耗散整个结构的部分能量，对主结构将产生一定的减振影响．本文通过等价线性化用数值方法求解非线性随机反应方程，在此基础上分析附属物在塑性状态下的耗散能力以及对主结构的减振影响．

张力机构设计的塑性耗能原理

利用弹性力学与塑性力学的有关理论,深入地研究了理想塑性材料在平面应变假设下,大曲率拉力弯曲工况中的塑性耗散能及拉力函数。理论分析表明,当理想塑性材料大曲率绕过多轮子机构时,其轴向张力的大小正比于塑性变形的次数,而反比于支承轮子的工作半径,且与缠绕于轮子上的包角大小无关。

柱端带肋方钢管混凝土柱抗震耗能分析

方钢管混凝土柱在高层及超高层中得到了广泛应用,但存在钢管对混凝土约束较弱与柱端部局部屈曲等问题,有必要采取构造措施以提高柱的抗震性能。通过建立端部带肋方钢管混凝土柱的三维实体精细有限元模型并与拟静力试验结果验证,有限元结果与试验结果吻合良好,之后建立多个足尺模型进行参数分析,分析了柱端设肋对钢管水平鼓曲与竖向位移、钢管与混凝土的应力-应变、塑性耗能的影响,探讨了不同肋高下柱的塑性耗能分配机制。结果表明:柱端设置加劲肋可显著减少柱的水平鼓曲和竖向位移,提高柱的峰值承载力和延性,减小钢管与混凝土的压应变并提高压应力,增大柱的总塑性耗能值,延缓柱的破坏;轴压比为0.5、0.8时,当肋高分别达到1000mm、1500mm,再增大肋高对柱的塑性耗能影响较小。研究结论可为实际工程中柱端带肋方钢管混凝土柱的设计与加固构造措施提供参考与依据。

腹板加劲H形截面框架梁塑性耗能区的抗震性能试验研究

针对腹板宽厚比较大的H形截面钢框架梁塑性耗能区延性较差的问题,提出在其腹板设置纵向加劲肋以改善抗震性能的方法,并进行试验验证。通过4个梁腹板设置纵向加劲肋和1个未设置纵向加劲肋的梁柱刚接节点试件的反复加载试验,对框架梁端塑性耗能区腹板设置纵向加劲肋前后的抗震性能进行对比研究。试验以梁腹板采用弹性设计截面的试件为基准,考察在腹板设置一道、两道纵向加劲肋后塑性耗能区抗震性能的改善程度;并与塑性设计截面腹板梁的试件、部分塑化截面腹板设一道纵向加劲肋的试件进行抗震性能的比对。试验结果表明:设置纵向加劲肋可显著提高H形截面框架梁塑性耗能区的抗震性能;梁端塑性耗能区翼缘宽厚比满足塑性设计截面的要求,腹板采用弹性设计截面的宽厚比,当设置一道或两道纵向加劲肋时,可达到不低于塑性设计截面或GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》二级抗震框架梁端耗能区的抗震性能要求;弹性设计截面腹板纵向加劲肋分隔的区格板件宽厚比与实腹梁腹板宽厚比相当时,抗震性能基本等价。

阻尼耗能在结构弹塑性地震反应中的作用

本文用计算分析的方法研究了结构在弹塑性地震反应过程中的阻尼耗能与塑性耗能的数量关系问题。研究结果表明，在弱非线性反应以至强非线性反应的情况下，结构的阻尼耗能均比塑性耗能多出一定数量，从不同的方面又一次说明了阻尼问题的重要性。

滑坡极限分析与塑性耗散功率

基于塑性力学和极限分析理论,研究了岩土体的体积塑性耗散功率和面积塑性耗散功率,并以平动性滑坡为例,给出了滑坡体塑性耗散功率和安全因子的计算方法.

强震下高层钢筋混凝土框架结构体系抗震耗能分析

为研究框架结构在地震作用下的耗能机理,依据现有规范设计并建立10层、15层钢筋混凝土空间框架结构体系的三维实体精细有限元模型,并对该两种框架进行地震波弹塑性时程分析,分析不同水平地震波对框架结构层间位移角与塑性耗能的影响。结果表明:两种框架各层最大绝对位移随楼层与地震波峰值的增大而增大,各层的最大层间位移在2层、3层,多遇、罕遇地震下两种框架的最大层间位移角均未超过位移角限值1/50,当地震波烈度分别达到1 500 gal、1 200 gal时,10层、15层框架结构体系的最大层间位移角超过1/50;小震时,框架结构的总塑性耗能值很小,表明框架仍处于弹性状态,随着地震波加速度的增大,框架的总塑性耗能迅速增加,特别是地震强度超过1 000 gal以后;随地震波加速度的增大,框架的各部件的塑性耗能值增大,梁、柱的耗能占比增大而楼板的耗能占比减小。

挤出机固体输送段物料塑性能量耗散模拟

单螺杆挤出机固体输送段承担着物料输送和提升料温的作用,该段能耗占总能耗的比例较大,为了达到节能降耗、提高产能的目的,明确该段的能量转变方式至关重要。通过构建简化计算模型,在利用Flow2000软件获得相应初始数据的基础上,运用ANAYS软件对单螺杆挤出机固体输送段物料塑性能量耗散进行了模拟,计算出了塑性能量耗散热,明确了该段的能量转变方式。

考虑混凝土塑性耗散的CDM-XFEM裂缝计算方法

混凝土结构在服役期间受外界载荷的影响容易产生裂缝,导致结构刚度降低、构件承载性能衰退,而采用准确的计算方法预测混凝土裂缝的发展是治理裂缝的基本前提,也是保障结构安全的重要手段.连续损伤力学方法(continuou damage method,CDM)能够描述微裂缝的扩展过程,但不能表示离散的开裂面,且存在网格诱导偏差及虚假应力传递的弊端,扩展有限单元法(mechanics-extended finite element method,XFEM)能够描述宏观裂纹的扩展过程,但不能反映微裂缝的动态扩展,两者计算出的裂纹分布与实际差异均较大.现有的CDMXFEM方法已经能够模拟混凝土微裂缝及宏观裂缝发展的整个过程,但忽略了宏观裂缝出现时混凝土产生的塑性应变,CDM与XFEM的能量转化过程欠缺平衡性.因此,本文重点考虑能量转化时的塑性耗散,选取指数型函数为粘结裂缝的牵引-分离模式,基于能量及应力等效的条件重新构建了CDM与XFEM之间的能量转化方程.采用广义逆最小二乘法求解能量转化系数,确定能量转化时的临界位移,并给出了裂缝面水平集的更新算法及整体计算方法的程序流程.以双切口混凝土受剪拉开裂试验为例,采用多种裂缝计算方法与试验进行了对比.结果表明,采用考虑混凝土塑性耗散的CDM-XFEM方法算出的裂缝分布及拉力-张开位移曲线与试验结果差异最小,说明采用考虑混凝土塑性耗散的CDM-XFEM计算方法能够更好地计算混凝土裂缝.

焊接多腔双钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能分析

大多数双钢板-混凝土组合剪力墙采用螺栓连接或焊接肋的方式使钢板和混凝土协同工作。然而,这种连接方式可能导致整体性和塑性变形效率较低,且制作复杂,焊接多腔双钢板-混凝土组合剪力墙能够有效地避免这些问题。为了深入研究焊接多腔双钢板-混凝土组合剪力墙的抗震性能,基于约束混凝土真三轴塑性-损伤本构模型和钢材弹塑性混合强化-韧性损伤本构模型,建立了组合剪力墙的精细化三维实体-壳模型,将模拟所得的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线、弹性刚度、承载力、累积耗能、等效阻尼粘滞系数和延性系数与已有拟静力试验结果相比较,发现两者吻合较好。分析结果表明:轴压比对组合剪力墙模型算例刚度和承载力的影响较小,而随剪跨比增大,组合剪力墙模型算例的刚度和承载力呈线性降低;轴压比对组合剪力墙模型算例总塑性耗能的影响较小,而剪跨比的影响较大,剪力墙总塑性耗能随剪跨比增大而降低;轴压比和剪跨比都不会改变算例各部件的耗能分配机制,即组合剪力墙模型算例以外钢板和内隔板耗能为主。

塑性耗散能突变判据在边坡稳定性分析中的应用

采用强度折减有限元法分析边坡稳定性时,失稳判据的选取至关重要,但选取合理的失稳判据尚无定论。针对计算不收敛、塑性屈服区贯通、特征点位移突变三种典型失稳判据的不足,提出了塑性耗散能突变判据,依据边坡的塑性耗散能增量与折减系数增量之比的突变倍率判断边坡的安全系数,并通过典型算例验证其可行性。研究表明,塑性耗散能突变判据使用简便、结果可靠,避免了边界条件、人为因素等对判定结果的影响,在复杂边坡稳定分析中具有良好的应用前景。

结构大震弹塑性时程分析中的能量反应分析

采用ABAQUS对23个钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构分析模型进行了大震弹塑性时程分析,分析模型变量为楼层总高度、地震波及地震波峰值加速度。通过对23个分析模型中得到的各种能量项数值的统计与分析,结合现行规范中结构损伤程度的评估标准,对输入能与地震加速度及结构损伤程度的关系、不同结构损伤程度下塑性耗能在构件中的分配、阻尼耗能比例和塑性耗能比例与结构损伤程度的关系进行了研究。研究成果为能量法在结构地震反应中的应用及钢管混凝土框架-核心筒结构体系的设计提供参考。

主余震序列作用对剪力墙结构动力响应影响分析

为了研究主余震序列作用对高层剪力墙结构动力响应的影响,以某超高层作为研究基础建立了其动力弹塑性分析模型,开展了相关研究工作。选取10个真实主余震序列作用事件,构造了14条主余震序列作用作为输入的地震荷载;以PGA、PGV、PGA/PGV等作为表征地震动强度的指标,计算了结构在主余震序列作用及仅主震作用下的结构塑性耗能、最大残余层间位移角的增量损伤比及Karl Pearson相关系数;分析了主余震序列作用下结构塑性耗能及最大残余层间位移角的特点和地震动强度指标与增量损伤比的相关性。结果表明,主余震序列作用加剧了结构损伤,其塑性耗能增量平均达24%~28%;主余震序列作用下结构最大残余层间位移角有可能增大,也有可能减少。基于塑性耗能的结构主余震增量损伤比与PGV、SED、SI等速度相关的地震动强度表征指标均表现出了较强的相关性,可考虑作为选择和调整主余震序列作用地震波的指标;基于最大残余层间位移角的结构主余震增量损伤比则与地震动强度指标相关性较弱。

一种新的内翻管理论模型及其耐撞性研究

圆管圆角模具内翻作为金属薄壁管的一种变形模式有着良好的吸能特性.现有关于内翻模式的理论模型均假设变形区曲率恒定且很少有关于翻转全过程翻转力的研究.通过试验测试和有限元模拟对6063铝管的内翻过程进行了研究,并结合外翻模式变形特点详细探讨了内翻模式的变形特点.根据试验和有限元结果提出了一种新的描述内翻模式的理论模型,该理论模型在同时考虑了变形区曲率变化和管壁增厚的基础上,对内翻全过程的翻转力也进行了预测,进而可以得到内翻模式总吸能和比吸能的理论结果.通过与前人理论结果和试验结果的对比得到,文章理论结果更吻合试验和有限元结果.最后,根据验证后的理论模型对内翻模式的耐撞性进行了分析讨论,结果表明:存在最优模具半径使得内翻稳态力、总吸能和比吸能最小;增大圆管壁厚可显著提高内翻模式吸能特性;增大圆管半径能提高内翻稳态力和总吸能,但会降低比吸能.新的内翻理论模型为描述内翻变形模式和内翻管作为吸能元件提供了理论依据.

固定阻尼系数对结构弹塑性时程分析的误差影响

结构在强震作用下的弹塑性响应分析广泛采用瑞利比例阻尼,其阻尼系数是根据系统的质量和初始刚度确定的,这种固定的阻尼系数设置会因结构弹塑性响应时的刚度软化而导致模态阻尼比的增大,造成分析结果的偏差。通过对单自由度双线性模型的塑性响应分析,考察固定阻尼比和固定阻尼系数两种情况对延性需求的影响,以及粘滞阻尼和塑性变形的耗能差异。研究表明,对于内阻尼产生的模态阻尼比因其数值较小,即使结构出现严重的弹塑性响应,放大的计算阻尼比也不致耗散过多的能量而降低结构延性需求,弹塑性时程分析时采用固定阻尼系数能满足工程计算的精度要求。

牺牲-耗能型伸臂桁架的设计和试验研究

伸臂桁架是超高层建筑中的重要抗侧力构件。该文以一个超高层框架-核心筒-伸臂桁架结构为研究对象,分别采用普通伸臂桁架和防屈曲支撑(BRB)伸臂桁架进行独立设计,得到两个结构模型—普通伸臂桁架结构(CO)和BRB伸臂桁架结构(BO)。罕遇地震弹塑性分析结果表明,由于BO模型中的BRB伸臂桁架始终保持较高强度,反而导致结构中其他构件的塑性耗能比例增加,最终其塑性耗能效果不如CO模型中的普通伸臂桁架。因此,该文提出了一种新型牺牲-耗能型伸臂桁架,通过试验研究和有限元模拟分析了牺牲-耗能型伸臂桁架的主要设计参数及抗震性能。结果表明:牺牲-耗能型伸臂桁架的牺牲段和耗能段强度最优比为6∶4左右;将CO及BO模型中的伸臂桁架分别按照等刚等强原则替换成对应的牺牲-耗能型伸臂桁架后,结构中伸臂桁架的塑性耗能明显增加,剪力墙的塑性耗能明显减少,其他构件如连梁、梁的塑性耗能基本呈减少趋势,牺牲-耗能型伸臂桁架起到了保护结构中其他构件的作用。

自由梁受集中质量两点撞击的刚塑性动力响应

对矩形截面自由梁在两端同时受到完全相同的集中质量横向撞击问题进行了理论上的研究 ,通过采用刚塑性的材料模型得到了其动力响应完全解。结合数值方法给出了梁的瞬态变形 ,并讨论了输入能量、质量比等参数对梁的最终变形、能量耗散的影响。针对典型算例将完全解的结果与MSC/Dytran的计算结果进行了比较 ,两者具有合理的近似 ,但理论预测的结果略高估计了梁的最终变形。