受火钢框架的落锤冲击响应数值模拟

运用有限元程序ABAQUS进行数值模拟,研究不同温度下受撞击载荷钢框架结构的动力响应和梁柱连接性能,重点考察了三种梁-柱连接形式:即全焊接连接、平齐式端板连接、外伸式端板连接等对钢框架抗冲击性能的影响。对于受火和自重作用的钢框架,比较了梁的跨中挠度和梁柱交点处沿梁方向的位移,以及结构在不同环境温度下的温度场;进而采用温度加载和落锤冲击共同作用,得出结构的梁柱节点破坏模式和钢梁的临界屈曲温度,以及落锤撞击过程中跨中挠度和撞击力的发展。模拟结果表明,外伸式连接框架高温作用下的抗落锤冲击性能最好。     

商用飞机撞击刚性墙的荷载时程分析方法

针对商用飞机撞击刚性墙问题开展研究。首先,使用ANSYS/LS-DYNA软件建立了飞机的有限元模型,并对飞机撞击刚性墙的过程进行数值模拟。接着,采用Riera法对飞机撞击力进行理论计算,以验证数值模拟结果的准确性。最后,基于数值模拟结果对传统荷载时程分析方法进行改进,提出了可考虑不同撞击速度的荷载时程曲线调整方法以及加载区域确定方法,并对改进方法的有效性进行分析验证。结果表明:本文所提荷载时程分析改进方法简单有效,能够准确反映不同速度飞机撞击下刚性墙的最大位移响应,适用于重大工程结构的飞机撞击分析。     

简支梁桥纵向地震碰撞响应研究

为研究简支梁桥在地震荷载作用下的碰撞响应和各因素对碰撞响应的影响程度,以一座3跨简支梁桥为研究对象,对桥梁碰撞响应的影响因素进行了动力非线性时程反应分析,得到了以下分析结果:纵向地震下,碰撞不会显著增大简支梁桥墩底的剪力和弯矩,但巨大的撞击力会给桥梁结构带来诸多不利影响;接触单元模型中碰撞刚度的取值对撞击力的正确模拟至关重要,碰撞刚度取值不同基本上不会改变结构的地震响应;梁体间的撞击力对邻梁间隙反应敏感,随着邻梁间隙的增大,撞击力和撞击次数逐渐减小,墩底剪力和弯矩逐渐增大;随着墩高比的增大,墩底剪力和弯矩不断减小,墩顶位移呈增大趋势,撞击力变化较大,但当相邻跨墩高相差不大时,撞击力相对而言要小得多;将不同的地震动峰值加速度调整到相同时,简支梁桥的地震响应差异很大。     

爆炸荷载作用下钢柱的动力响应与影响因素分析

采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,建立钢柱有限元模型,模拟爆炸荷载作用下钢柱的动力响应,并对影响钢柱动力响应的主要因素进行数值分析。考虑了不同爆炸荷载、材料失效应变、单元网格密度、柱高、柱截面尺寸和柱承担的轴向压力等参数的影响。通过对钢柱动力响应时程曲线进行分析,研究爆炸荷载作用下钢柱响应特性及其破坏机理;通过分析,得到各参数对其动力响应的影响规律。分析结果表明:增大柱的截面尺寸,能够降低柱跨中水平位移;增大柱截面高度,能有效地提高钢框架柱的抗爆承载力;在钢柱抗爆设计中,应控制其所承受的轴向压力大小,轴压比值不宜超过0.3。     

城市交通枢纽混凝土楼面动力放大系数实测研究

城市交通枢纽混凝土楼面的动力荷载效应不可忽视,现有结构设计规范尚未给出相应规定。以某大型城市公共交通枢纽为研究对象,开展了楼面结构在重载公交车辆作用下多个行车工况的现场测试,获取了不同行车速度下楼面结构的应变、挠度等动力响应,在此基础上计算了楼面结构的动力放大系数。结果表明:结构由动力荷载产生的响应明显大于静力荷载产生的响应;随行车速度的增加,动力放大系数先增大后减小;结构应变响应的动力放大系数比位移响应的动力放大系数取值范围大。研究成果可为大跨混凝土楼面板动力放大系数的取值提供参考。     

风浪流共同作用下海上风电基础与海床的动力响应分析

我国近海风资源丰富,但由于海洋环境条件的复杂性,开发利用近海风资源的规模和效益受到很大的制约;而风、波浪和海流等作为近海主要环境荷载对近海风机的正常运行起到决定性作用。采用谐波叠加法模拟得到近海风电场的风荷载时程,利用Morison方程和非线性波浪理论推导了波浪荷载和波流荷载的计算公式,最后根据Turkstra准则将风浪流荷载进行叠加组合,建立风浪流荷载共同作用下海上风电基础与海床动力相互作用的三维有限元计算模型。基于此模型,针对不同荷载组合条件下风机塔筒的水平位移、竖向应力以及基础的水平位移、桩身弯矩、桩身剪力等进行了动力分析,同时对风浪流荷载共同作用下桩基础周围海床的超孔隙水压力响应进行了计算分析,讨论了不同的荷载参数对海床超孔隙水压力的影响。结果表明:风荷载对风机塔筒顶端水平位移、塔底应力影响较大,波流荷载对风机基础顶端水平位移、桩身弯矩、桩身剪力影响较大,而波浪荷载则对海床孔隙水压力影响较大。可取最大风荷载和最大波流荷载叠加波浪荷载时程的组合为最不利组合方式。     

含隧道岩石边坡在地震作用下动力响应特性研究

根据动力有限元原理,利用软件Midas/GTS对某一山岭高速公路隧道边坡,模拟有无锚杆加固两种工况,进行了地震荷载作用下的动力响应分析,获得了位移、加速度、锚杆轴力及隧道的动力响应规律。结果表明:边坡岩体对地震加速度存在放大作用,锚杆在一定范围内能有效抑制这种放大作用;锚杆加固岩质边坡主要体现在对地震作用下坡顶岩体产生拉剪破坏的嵌固作用,来约束周围岩体的位移,锚杆支护设计的关键在于充分发挥锚杆的延性;在地震作用下隧道动力响应由洞口向衬砌内部,拱脚向拱顶呈放大趋势,衬砌内出现明显的应力集中现象。     

风荷载作用下单层平面索网体系点支式玻璃幕墙的动力性能研究

近年来,单层平面索网体系点支式玻璃幕墙以其简洁、通透的特点在国内外得到广泛的应用,其破坏主要由风荷载造成,目前国内外针对此种结构的风振动力性能研究甚少。本文应用谐波叠加法模拟了脉动风速的时程曲线,进而得到风荷载;通过有限元分析软件ANSYS,对单层平面索网体系点支式玻璃幕墙模型进行动力风荷载下的时程分析,研究在动力风荷载下,幕墙的玻璃面板厚度、拉索截面积以及拉索预拉力对其受力性能的影响,以供幕墙设计参考。     

约束钢柱火灾下失效过程静力与动力分析对比

为研究受约束钢柱在火灾下的失效全过程响应,以及静力分析方法是否依然适用于临界温度之后的响应分析,建立了柱端受轴向和转动约束的钢柱火灾下简化分析模型,考虑两种不同的工况,分别采用静力和动力分析方法对受火钢柱进行了失效全过程分析。结果显示,根据约束刚度大小以及承受荷载大小的不同,受约束钢柱在火灾下的屈曲后响应可能是拟静力的,也可能伴随显著的动力效应。钢柱温度达到临界温度以前,静力分析、拟静力分析与动力分析结果基本一致。钢柱达到临界温度后的响应,若柱后屈曲响应为拟静力过程,则静力分析与动力分析结果基本一致,若柱后屈曲响应存在明显的动力效应,则静力分析会不收敛,拟静力分析得到的最大柱顶竖向位移会小于动力分析的结果。因此对于钢柱后屈曲响应,静力分析、拟静力分析可能导致偏于不安全的抗火设计。     

考虑叶片与塔架耦合作用的风电塔架风振响应分析

现有的风力发电塔架风振响应分析大多忽略叶片与塔架的耦合作用,而由于叶片质量和扫略面积较大,对风力发电塔架风振响应分析的影响不可忽视,因此,在风电塔架的研究中考虑叶片对塔架的影响,其结果会更加接近实际情况。本文考虑叶片与塔架耦合作用对风力发电塔架风振响应的影响,建立了相应的力学模型和运动方程。分别对有无叶片塔架耦合作用进行模态分析,比较了两者的固有频率。并通过MATLAB软件编写程序得到脉动风荷载时程曲线,最后在ANSYS中对风电塔架脉动风荷载进行时程分析,得到两种不同风电塔架模型的风振响应时程曲线,比较了两者在同一高度处的位移、速度和加速度反应,为进一步研究实际风电塔架结构提供了可靠的理论依据。     

受火约束钢梁在升温段和降温段行为的理论分析(Ⅰ)

真实火灾中的调查和试验结果表明,约束钢梁比一般的无约束钢梁有更好的抗火承载性能。在梁端约束作用下,火灾中的约束钢梁能够产生很大的变形而且不会在瞬间坍塌。在梁中产生的轴力对梁在火灾中的行为有很大影响。影响约束钢梁行为的因素包括:荷载类型、轴向约束刚度、转动约束刚度、梁截面温度分布等。根据梁端约束情况和荷载类型,对梁的变形曲线进行了假设,据此可得出梁的轴力以及梁截面内应变与应力的分布。通过对应力的积分,可得出截面轴力及抵抗弯矩,然后结合梁的平衡方程,就可求出梁在火灾下的变形。为了进行火灾后的安全评估及修复工作,还需要了解钢梁在降温段的反应。当温度降低时,钢材的强度会得到恢复,这对恢复梁的承载能力是有利的,但是同时由于梁的收缩,梁内将进一步产生拉力,这对梁及两端的节点是很不利的。本文对约束钢梁在降温段的行为进行了比较深入的理论研究,并推荐了一种简单的计算方法。     

升—降温全过程中约束钢梁的有限元与试验分析

以轴向支撑连接方式,利用自制的加热炉对约束钢梁进行了升—降温全过程的试验研究。重点研究了钢梁的跨中挠度随温度变化的规律,以及梁端不同轴向支撑刚度和钢柱不同轴压比条件下约束钢梁的屈曲模式及其梁端轴向支撑的破坏形态。基于ANSYS有限元软件,采用温度场和结构耦合中的间接法,对升-降温全过程中的约束钢梁进行了有限元分析。数值计算结果与试验结果吻合较好,验证了有限元模型和参数设置的合理性。根据对比分析,讨论了我国现行钢结构防火技术规范中存在的关键问题,特别提出了钢结构抗火设计应有的内涵,为钢结构抗火研究提供了新的思路。     

高温下栓钉剪力连接件的结构性能数值模拟研究

目前,钢混凝土组合梁由于其具有截面高度小、自重轻、延性好等优点而广泛应用于高层建筑和桥梁结构中。钢混凝土组合梁中,钢梁和混凝土板通过剪力连接件共同作用,钢混凝土组合梁的性能很大程度上依赖于剪力连接件的性能,因此剪力连接件是组合梁中的关键部位。栓钉是目前最常用的柔性剪力连接件。本文采用有限元软件ABAQUS,较系统地研究了高温下组合梁中栓钉破坏形态、破坏机理、抗剪承载力和荷载—滑移规律性能,为高温下组合梁抗火性能研究提供基础。模型中混凝土、栓钉和钢梁采用实体单元模拟,材料的力学特性和热工特性参数根据欧洲规范(EN 1994-1-2)。本文先用文献中的试验结果验证了数值模型的可靠性,并进一步研究了不同栓钉直径和不同混凝土强度等级时的高温下栓钉承栽力折减系数。研究表明,欧洲规范中高温下栓钉承栽力的计算公式是合理的,能较准确地预测栓钉在高温下的承栽力。     

落石冲击下多种类型土壤缓冲性能研究

针对现有研究对落石灾害中不同类型土壤中落石的最大冲击力和冲击力变化规律偏差较大的情况,对落石在四种土壤中的冲击力进行研究。通过试验验证SPH-FEM方法在冲击力方面的适用性。采用SPH-FEM模型分析落石在四种土壤中的最大冲击力、冲击力时程曲线规律和在砂土中的冲击力时程曲线公式。分析结果表明:SPH-FEM数值模型能够准确用于研究落石在土层中的最大冲击力和冲击力时程曲线。四种土壤的缓冲性能顺序为砂土、黏土、壤土和黄棕壤。研究得到落石在四种土壤中的最大冲击力与落体直径、冲击速度的关系曲线以及在砂土中的冲击力时程曲线公式。     

通过改进节点性能确保火灾下钢框架结构的鲁棒性(英文)

介绍了钢框架结构火灾下鲁棒性的背景知识,建议对于非常重要的建筑结构,抗火安全设计必须包括通常设计中尚未考虑到的意外破坏模式。文章辨识了结构意外破坏的不同模式,并提出了保证结构安全性的可行方法。本文主要介绍了如何利用梁的悬链线效应,使荷栽从受损结构重新分配到相邻结构,该效应是梁受弯承载力状态的一种转变。为确保钢梁中悬链线效应的充分发展,最重要的是要保证节点具有足够的抗拉承栽力与转动能力。本文提出了一种节点转动能力需求的量纲分析方法,并根据一些试验结果,介绍了英国常用的梁柱节点可到达的转动能力。虽然一些延性较好的节点在升温时能够达到10°的转动能力,但当钢的温度非常高时,其仍不能满足使悬链线效应充分形成时所需要的转动能力(>15°)。随后,讨论了如何提高节点的转动能力,包括:采用具有较好延性的节点(例如开反向槽口的节点),改进节点的细部构造(如将节点的受拉区移近至受压区,并为螺栓开槽型孔)和采用更强的、延性更好的由耐火钢制成的螺栓。这些提出的节点技术需要与节点在其他设计要求下的性能要求相协调(如刚度),为满足不同的结构性能要求,找到最优的节点设计方法,仍需要更深入的研究。     

受火约束钢梁在升温段和降温段行为的理论分析(Ⅱ)

通过约束钢梁抗火试验结果与笔者提出的理论方法结果的比较,验证了升温段理论分析方法的正确性。在降温段,采用本文方法所得结果与其他理论所得结果也很相近。采用笔者提出的理论方法对约束钢梁进行了参数分析,研究了约束钢梁的轴向约束刚度、转动约束刚度、荷载比、梁的高跨比、钢材屈服、荷载作用类型和截面温度分布等因素对受火约束钢梁在升温段和降温段的影响。研究表明,上述因素,尤其是梁的荷载比、轴向约束刚度和高跨比等对约束钢梁在火灾升温段的行为有很大影响;在降温段,由于梁的收缩受到约束,引起很大的轴向拉力,轴向力的大小除了与梁的荷载比、轴向约束刚度有关外,还与梁所经历的最高温度有关。     

火灾下约束钢柱临界温度的参数分析

利用经实验验证过的ABAQUS有限元模型对轴力和弯矩共同作用下的约束钢柱进行了参数分析。以钢柱的屈曲温度和临界温度作为主要的评价指标,主要考虑了轴力荷载比、弯矩荷载比、轴向约束刚度比、转动约束刚度比、长细比和钢柱端部弯矩比等参数的影响,并且对不同参数之间的耦合性进行了分析。参数分析结果表明,轴向约束刚度的增大将会明显降低约束钢柱的屈曲温度,但是对其临界温度的影响相对较小;端部弯矩比对钢柱的临界温度影响很小;当钢柱的轴力荷载比和弯矩荷载比较小、轴向约束刚度比和长细比较大时,考虑屈曲后性能可以显著提高钢柱的抗火能力。     

约束高强度Q460钢柱抗火性能分析

为了研究高强度约束钢柱在火灾下的反应,根据高强度结构钢Q460在高温下的力学性能参数,建立了约束高强度钢柱受火分析模型,得到了高强度约束钢柱在火灾下的轴向位移、跨中挠度、最大应力以及临界温度。采用有限元分析对理论结果进行了验证,两者吻合很好。利用验证过的该文计算方法计算了2种荷栽比、长细比和约束刚度比条件下的高强钢柱的抗火性能;采用CECS200:2006的力学性能参数计算了约束普通钢柱的抗火性能。通过对高强钢和普通钢的抗火性能分析发现,轴向约束明显降低钢柱的临界温度,长细比、荷载比越大,临界温度越低;高强钢的抗火性能要优于普通钢。     

钢结构高温响应影响因素的研究

根据考虑几何和材料非线性及温度沿杆件截面高度线性分布等因素对钢结构常温和高温响应影响的基本方程,用自行编制的计算程序对单层双跨钢框架进行结构非线性温度响应研究,分析了弯曲应变、屈强比、梁柱刚度比、初始弹性模量等因素对结构响应的影响,并研究了温度步长、保护层厚度对结构耐火时间的影响.由计算结果发现,弯曲应变、初始弹性模量...