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。

基于杆系离散元理论的结构屈曲显式弧长法研究

基于杆系离散元理论,提出了一种显式弧长法用于结构弹性屈曲全过程分析。建立了新型接触单元-铰固接触单元的本构模型,分别采用离散元法和结构力学方法对铰固接触单元在已知端部位移工况下进行受力分析,并通过端部内力相等建立方程,推导了接触刚度系数;采用动力阻尼技术简化了颗粒运动方程的求解过程,然后引入总位移约束弧长法,详细阐述了与离散元法相结合的求解策略和实施过程,并给出了相关分析参数的计算公式;通过算例验证了该方法的准确性和适用性。在追踪结构屈曲平衡路径时,该方法无需组集刚度矩阵、不涉及矩阵奇异等不收敛问题,且参数少、稳定性好,与传统有限元弧长法相比更具优越性,为结构分析提供了新的算法工具。

网壳结构多参数韧性评价指标

随着抗震设计理念的不断发展,抗震韧性得到研究者的广泛关注,逐步成为地震工程的热点课题。该文针对《建筑抗震韧性评价标准》中存在的不足,根据网壳结构在地震作用后的损伤特点与维修方式,定义网壳结构构件和非结构构件的损伤等级,修订“标准”中各项指标的部分计算参数。通过108组覆盖性网壳算例,拟合得到适用于网壳结构的多参数韧性评价指标与等级划分,在4个临界点处的指标值(R值)分别为1.0、1.6、2.0与2.7。以两个大型振动台试验和随机选取的若干网壳算例共同验证韧性评价指标和等级划分的普适性与有效性。结果表明,该文提出的多参数韧性评价指标等级划分全面、合理,能定量地刻画网壳结构震后的韧性情况,可服务于网壳结构抗震韧性和韧性评估体系。

复杂曲面膜结构风致响应的实验研究与模拟

以上海世博轴膜屋面为工程背景,进行了复杂曲面膜结构节段的气弹模型风洞实验研究和考虑流固耦合作用的数值模拟分析。考虑不同膜面预应力、风向角、风速以及流场情况,采集得到了膜结构的位移和加速度响应,进一步了解复杂曲面膜结构的风振响应特性,数值模拟分析与风洞实验结果一致。获得了复杂曲面膜结构的风振响应特性,统计得到了膜结构的位移效应风振系数。通过分析可知,膜结构本身的形状特征、初始预应力强弱、流场条件和场地类别都会对膜结构的风振产生影响。

模块化钢结构建筑柱-柱螺纹套筒连接抗剪试验

为研究模块化钢结构建筑上下模块间柱-柱螺纹套筒连接的抗剪性能,对4组螺纹套筒连接方钢管柱双剪试件进行研究,分析套筒壁厚、材性及套筒螺帽与柱连接类型等因素对连接抗剪性能的影响规律。研究结果表明:试件抗剪性能受螺纹套筒控制,其受剪过程主要经历定位杆剪切、套筒屈服、套筒屈曲和套筒强化4个阶段;空心套筒发生由上半圆筒壁局部控制的冲剪破坏形态,套筒下半圆未发生破坏;套筒壁厚和强度是影响试件抗剪性能的关键因素,套筒螺帽与柱焊接或螺栓连接对试件抗剪性能的影响不大;套筒壁厚增加67%或屈服强度提高22%,可使其抗剪承载力分别提升40.7%和18.0%;筒壁冲剪模型可较安全地预测套筒抗剪承载力,且预测值与实测值较吻合。

海洋环境荷载下半潜式平台上承房屋钢框架结构的动力响应特征

以1000 m深海半潜式平台上承房屋钢框架结构为研究对象,首先采用有限元方法模拟了3层、6层、9层3种高度的上承结构在100年一遇极端海洋环境荷载作用下的动力时程响应,获得较适宜的推荐高度;然后对推荐高度结构分别进行陆地地震作用及海洋环境荷载作用下的动力时程响应有限元模拟,并将两种支承条件与作用方式下房屋钢框架结构的动力时程响应结果进行对比。结果表明:海洋环境荷载作用下,3层和6层结构的动力响应水平都相对较小且差距不大,而9层结构的动力响应水平因海风及结构倾斜影响过大而比6层结构的有显著增大,据此选定6层高度作为较适宜的推荐高度;6层房屋钢框架结构在平台支承4个月一遇海况下与在陆地支承8度多遇地震下的动力响应水平总体基本相当,但与陆地支承8度罕遇地震动力响应水平相比,即使是100年一遇的极端海洋环境荷载作用,其动力响应水平总体上也明显小于前者;研究成果可为海洋平台上承结构物的设计提供参考。

基于GPU的杆系离散元并行算法在大型工程结构中的应用

杆系DEM(离散元,discrete element method)是求解结构强非线性问题的有效方法,但随着结构数值计算规模的扩大,杆系DEM所需要的计算时间也随之急剧膨胀。为了提高杆系DEM的计算效率,该研究提出单元级并行、节点级并行的计算方法,基于CPU-GPU异构平台,建构了杆系DEM并行计算框架,编制了相应的几何非线性计算程序,实现了杆系DEM的GPU多线程并行计算。对杆系DEM并行算法的设计主要包括数据存储方式、GPU线程计算模式、节点物理量集成方式以及数据传输优化。最后采用大型三维框架、球壳结构模型分别验证了杆系DEM并行算法的计算精度,并对杆系DEM并行算法进行了计算性能测试,测试结果表明杆系DEM并行算法加速比最高可达12.7倍。

基于杆系离散元法的结构接触碰撞行为分析

将杆系离散元法拓展至结构的碰撞行为分析中,通过对颗粒运动轨迹修正实现模拟杆件间的碰撞响应。根据杆件间可能发生的接触模式建立了“点-线”接触模型;将“虚拟接触点对”的概念引入临界接触约束条件,详细推导了接触力的计算公式,并采用Fortran语言编制基于离散元法的结构碰撞行为分析程序;通过对典型接触碰撞算例的模拟和分析,定量验证算法的正确性和有效性。结果表明:“点-线”接触模型可对发生接触碰撞的杆件做出及时判断,并准确计算法向排斥力和切向摩擦力;同时接触碰撞过程的能量耗散。

柱脚不均匀沉降对单斜撑钢井架的影响与治理研究

长期的荷载作用可能导致矿井井架变形和不均匀沉降,甚至可能引起结构整体倾覆。针对童亭煤矿钢结构单斜撑井架的沉降和受力特点,采用ANSYS有限元软件构建了单斜撑井架结构模型,研究了斜撑基础不均匀沉降对井架结构内力的影响规律,并对井架内力受不均匀沉降影响机理进行分析。结果表明:①立架与斜撑间的沉降差值会引起立架C柱底和顶部横梁的应力呈线性增加,对斜撑影响较小;X方向沉降率达到2.04‰时,立架最大应力出现于C柱底,约为148 MPa,低于钢材设计强度的限值。②两斜撑基础间的不均匀沉降对单斜撑井架的不利影响更大,断绳工况下的Y方向沉降率为0.88‰时即发生应力超限破坏,略低于《矿山井架设计标准》中对单斜撑式钢井架斜撑基础间最大1‰的沉降差值限制。③不均匀沉降导致井架内力重分布,井架最大应力值和位移值均随沉降值增大而增大,其中立架C柱和斜撑上下天轮梁为最危险部位。针对井架沉降现状,提出了重点部位的加固和顶升方案,加固后井架内力和变形均大幅降低,静力性能提升30%。

钢板加固螺栓球节点力学性能试验研究

针对螺栓球节点高强螺栓漏拧、少拧的情况,实际工程中常采用焊接钢板加固螺栓球节点来保障螺栓球节点承载力。为探究钢板加固螺栓球节点的破坏形式及极限承载力规律,对三组高强螺栓拧入深度0.5d(d为螺栓直径)螺栓球节点采用钢板加固并进行受拉承载力试验。试验结果表明,钢板加固螺栓球节点虽能提高节点的承载力,但试件高强螺栓和钢板变形很难协调,共同受力不理想,易发生局部破坏。故对原有加固方法进行改进,并进行加固后螺栓球节点拉伸破坏试验。结果表明,改进后的钢板加固螺栓球节点力学性能得到很好的提升,可为螺栓节点加固提供保障。

长期运行引水隧洞开裂衬砌受力影响规律与承载特性

衬砌裂缝是引水隧洞中常见的病害之一,衬砌开裂会对隧洞衬砌承载力和安全性造成不同程度的影响。以长期服役的东江水源工程引水隧洞衬砌为研究对象,通过现场检测确定了全洞段裂缝的产状、分布规律和开裂特征。利用ANSYS软件中的软弱薄层单元,建立了开裂衬砌的三维数值模型,得出贯穿型纵向裂缝的位置变化对衬砌结构安全性的影响,系统分析了衬砌的承载特性。结果表明,衬砌开裂条件下,衬砌结构局部开裂区的安全系数降低最为显著,尤其是拱肩位置的裂缝对结构的危害程度远大于边墙、拱顶裂缝;另外,裂缝的产生会对其他未开裂部位的受力特性及稳定性产生影响。数值模拟结果良好地体现了裂损衬砌对隧洞结构的影响规律,与现场检测结果一致,为长期服役下隧洞结构病害防治提供了参考。

基于机器学习的高强钢焊接等截面箱型柱整体稳定性预测方法

目前,针对高强钢构件整体稳定性的研究多采用有限元建模或实验室试验方法,而基于机器学习的预测方法能够显著提升预测的准确性和便捷性。为了准确预测高强钢焊接等截面箱型柱的整体稳定性,提出使用纤维模型构建数据库并利用机器学习建立预测模型的方法。首先确定模型的输入输出参数,并通过纤维模型方法建立数据库;接着,选用常见的3种不同类型的机器学习模型和现有规范中的经验模型进行预测,并依据评价指标进行性能对比;最后,根据可解释算法分析机器学习模型的合理性。结果表明:大部分机器学习模型预测结果与试验结果吻合度略高于现有规范中的经验模型,其中,高斯过程回归模型对高强钢构件整体稳定性的预测表现最优;机器学习预测模型中各类参数对构件整体稳定性的影响趋势符合预期,验证了机器学习模型的合理性和可靠性;构件的正则化长细比对预测结果影响最大,而构件初始缺陷的影响相对最小。

煤矸石细集料对水泥浆体微观结构的影响及其作用机理

以自燃煤矸石细集料-水泥浆体和非自燃煤矸石细集料-水泥浆体为研究对象,采用X射线衍射仪和扫描电镜研究自燃和非自燃煤矸石细集料对水泥浆体水化产物的物相组成、微观形貌的影响,分析煤矸石细集料活性对水泥浆体微观结构和强度发展的作用机理.结果表明:自燃煤矸石细集料早龄期发生明显的活性反应,在水泥浆体中形成水钙沸石、水石榴石、钙铁榴石等新物相,对水泥浆体早期抗压强度有一定提高作用;非自燃煤矸石细集料对水泥浆体水化进程和微观结构没有产生影响.2种煤矸石细集料均存在一个最优掺量.当煤矸石掺量(质量分数)为20%时,自燃煤矸石细集料-水泥浆体和非自燃煤矸石细集料-水泥浆体抗压强度均最高.

索网玻璃幕墙结构抗震性能研究

采用了模型试验和数值模拟的方法对单层平面索网玻璃幕墙结构的抗震性能进行研究。首先通过地震模拟振动台试验研究了地震荷载作用下单层索网幕墙结构的地震响应特点,考察了索网和玻璃连接爪件性能,检验了玻璃幕墙的抗震性能。然后讨论了玻璃对于地震荷载作用下结构地震响应的影响,对玻璃与索网协同工作下结构的动力性能进行了研究。建立了地震荷载作用下玻璃与索网协同工作的数值模型,采用该模型分析了结构的地震响应。数值分析和试验结果表明:地震荷载作用下,索网模型和索网+玻璃模型地震响应主要以对称振型为主,结构第1阶振型占绝对主要成分;玻璃面板对索网幕墙结构的刚度影响很小;索网+玻璃结构的阻尼远大于索网的阻尼,玻璃幕墙结构的阻尼主要是由玻璃提供的;采用夹片爪的玻璃面板和索网结构连接可靠,索结构和玻璃面板没有破坏;索网玻璃幕墙结构具有较好的抗震性能,可以在地震较高烈度地区使用。

基于重要杆件失效网架结构连续倒塌动力试验研究

在网架结构模型中,基于杆件轴力与应变能变化响应的杆件重要性评估方法确定初始破坏杆件并引入失效装置,进行了基于杆件失效的结构连续性倒塌试验。在试验过程中,利用动态应变仪、拉线式位移和加速度传感器,获取网架结构模型因初始破坏引发的动态过程总的应变、位移和加速度时程曲线,揭示网架结构连续性倒塌的破坏过程及破坏机制。仿真分析和试验结果表明,支座之间及其相邻腹杆是网架结构关键杆件,其初始破坏失效后,会造成网架结构的连续性倒塌,在实际设计过程中要加强其构件承载力。

预应力混凝土结构耐久性研究综述

针对预应力混凝土结构耐久性的现实问题和未来矛盾日益突出的趋势,对预应力混凝土结构耐久性的研究进展进行了系统梳理和总结。提出了预应力混凝土结构耐久性的研究体系,包括研究背景、对象、思路、目标、科学问题、技术问题、内容、技术路线等;对预应力混凝土结构耐久性问题的研究现状分5个方面进行了综述,包括混凝土损伤有关耐久性问题、预应力钢筋腐蚀有关耐久性问题、锚固连接体系腐蚀有关耐久性问题、耐久性测试和提升及试验技术、耐久性数值模拟技术;提出了7个有关预应力混凝土结构耐久性研究尚需进一步解决的问题,即环境作用定量模型、腐蚀介质传输行为、腐蚀疲劳损伤演化模型、锚固连接体系腐蚀行为、岩土预应力结构的腐蚀行为、耐久性提升技术、耐久性数值模拟技术。所做研究可为进一步拓展和完善预应力混凝土结构耐久性研究提供参考。

基于微环境温湿度的混凝土孔隙水饱和度预计

研究混凝土微环境相对湿度、温度及微观结构对孔隙水饱和度的影响机理,并通过恒定人工气候环境下粉煤灰混凝土孔隙水饱和度的测定进行验证,建立基于混凝土微环境影响的孔隙水饱和度预计模型。研究结果表明:粉煤灰混凝土水胶比越小,其孔隙水饱和度越大;粉煤灰混凝土孔隙水饱和度随微环境相对湿度的提高而增大,随微环境温度的升高而下降;恒定微环境温湿度情况下,当粉煤灰掺量不超过15%时,混凝土孔隙水饱和度随粉煤灰掺量的增大而增大,但粉煤灰掺量超过15%时,其随粉煤灰掺量的增大而降低。粉煤灰混凝土孔隙水饱和度与微环境相对湿度、微环境温度、粉煤灰掺量和水胶比之间的关系可以用指数函数较好地拟合。

海洋环境不同区位混凝土中的湿分布状态变化

分析了干湿交替过程中混凝土内湿分布状态变化的机理,建立了海洋潮汐模拟试验系统,并利用该系统研究了海工混凝土中湿分布随高程的变化规律.研究结果表明:海洋环境中不同区位混凝土的湿传输影响深度和稳定湿含量不同;处于稳定海洋大气环境中的混凝土,其内外的湿含量分布较为均匀,湿传输影响深度为0,稳定湿含量为平衡湿含量;在浸泡区,湿传输影响深度为0,稳定湿含量等于饱和湿含量;在干湿循环的浪溅区,存在一定的湿传输影响深度,内部的稳定湿含量等于与大气相平衡的湿含量;在干湿循环的潮差区,稳定湿含量介于饱和湿含量和平衡湿含量之间且随高程的增大而降低,湿传输影响深度随着高程的增长而增大且在浪溅区和潮差区的交界处(潮差区的高潮位)达到最大,该部位水分向混凝土内的传输速率最快,是混凝土结构耐久性设计和维护的关键部位.

氯盐干湿环境下TRC与老混凝土的界面特性研究

采用双面剪切的加载方式研究了氯盐干湿循环对纤维编织网增强混凝土(Textile reinforced concrete,TRC)与普通硅酸盐混凝土界面性能的影响,并通过SEM(Scanning electron microscope)技术探究了氯盐干湿循环作用下界面的微观结构。研究发现:氯盐干湿循环下,TRC与老混凝土界面微观结构会损伤劣化;与连续氯盐浸泡相比,氯盐干湿循环对界面粘结性能的影响较大;相同干湿循环次数下,加固界面的粘结强度随着氯盐溶液浓度的增加而降低;相同氯盐溶液浓度下,加固界面的粘结强度随着循环次数的增加而降低。

某大型公共场馆抽柱改造工程设计与施工

为满足某大型公共场馆的使用要求,需要对位于中轴线上的3根钢筋混凝土柱进行拆除,此举将使大梁的最大跨度从12m增大到24m。在考虑结构整体性能以及抗震性能的基础上,综合采取了增设支点柱、增大断面加固梁和粘贴碳纤维布的改造方案,同时采取了先改造加固后拆除柱的施工方案。施工安全监测结果表明:柱拆除后,梁、柱的应力进行了重分配,结构的整体挠度变形很小,结构的改造和加固是安全的。