飞机模型撞击SC靶板的数值模拟分析∗

相对于钢筋混凝土(RC),钢板混凝土(SC)结构由于其优异的抗冲击性能和密闭性能,越来越多地应用于核电站安全壳结构中。基于有限元程序LS-DYNA对1/7.5缩尺飞机模型撞击SC靶板实验进行数值模拟,分别采用KC、Winfrith和CSCM三种模型描述混凝土材料,通过详细对比飞机模型撞击过程和速度衰减时程、靶板损伤和最大挠度以及引擎破坏的实验数据和数值仿真结果,验证了Winfrith模型的适用性。进一步讨论了撞击速度、钢板厚度、混凝土强度和栓钉强度对飞机模型速度时程和靶板破坏的影响。结果表明钢板厚度和栓钉强度对SC结构抗飞机撞击性能影响较大,而混凝土强度影响较小。相关结论可为飞机撞击下核安全壳的损伤破坏分析与结构设计提供一定的参考。     

爆炸荷载作用下砌体结构响应的有限元分析

对墙体模型进行简化,用单个混凝土砖块宽度的墙来代替所要分析的整面墙,并采用有限元分析软件LS-DYNA对砌体墙的破坏模式进行数值模拟分析。LS-DYNA的数值模拟结果显示,混凝土砌体墙在不同爆炸荷载作用下会发生不同程度的破坏,破坏的产生首先从墙体中部开始;随着爆炸荷载峰值的提高,砌体墙的破坏逐渐由中间向两端发展,当爆炸荷载峰值压力达到0.36 MPa及以上时,墙体会发生破坏,有块体飞出,并在重力作用下发生倒塌。数值模拟的结果与文献提供的试验结果比较吻合。     

不同温度下约束钢梁的落锤冲击响应分析

研究不同温度和冲击荷载作用下约束钢梁的动力响应问题。利用通用非线性有限元分析程序ANSYS/LS-DYNA,分别模拟了两端固支、一端固支一端轴向弹簧约束的钢梁在不同温度下受到落锤冲击时的动力响应。在温度荷载和冲击荷载联合作用下,分析了位移响应、撞击力时程曲线及冲量等的温度效应。通过撞击力时程曲线分析得出最大撞击力随温度的变化趋势与欧洲规范EC3给出的不同温度下的钢材的屈服强度折减系数的变化趋势相似,钢梁跨中的横向位移随着温度的升高而增加。还分析了高温和冲击荷载联合作用下落锤的撞击速度、不同的质量—速度组合、横向加劲肋对钢梁的变形的影响。     

爆炸荷载作用下钢筋混凝土墙的动态响应模拟

针对某地下军火库的钢筋混凝土墙以及地面的防爆墙,采用AUTODYN软件,结合RHT模型,模拟了爆炸荷载作用下两者的动态损伤响应。首先根据军火库的炸药存放量,采用数值模拟方法计算得出不同部位的爆炸荷载。针对钢筋混凝土隔墙,采用二维模型计算临近库房意外爆炸通过沙土传播引起的压力时程曲线;针对地面的钢筋混凝土防爆墙,采用三维有限元模拟爆炸波在库房内以及出口的传递,从而计算作用于防爆墙的荷载。然后将相应的荷载分别作用于钢筋混凝土隔墙以及防爆墙,采用RHT混凝土模型,对两者的动态响应进行模拟。计算结果表明:针对可能的炸药存放量,一旦发生意外爆炸,不仅存放炸药的库房会出现严重破坏,而且破坏还会引起相邻库房钢筋混凝土隔墙的严重破坏,出现明显的塑性铰线,整个墙体产生巨大变形;而设置于地面的防爆墙则出现严重的整体坍塌。     

洞庭湖区空斗墙建筑抗震性能实测及数值模拟

通过现场实测及数值模拟对洞庭湖区典型空斗墙建筑的抗震性能进行了研究。研究结果表明:数值模型能很好地反映实际结构的动力特性。时程分析结果表明,在保证材料强度的情况下,洞庭湖区典型空斗墙建筑可满足我国抗震规范7度(0.10g)多遇地震的设防要求,其中柔性楼屋盖空斗墙建筑更是可基本达到7度(0.15g)多遇地震设防要求;柔性楼屋盖空斗墙建筑的抗震抗剪承载力比半刚性楼屋盖空斗墙建筑的要高23.1%;眠砌构造柱可提高半刚性楼屋盖空斗墙建筑抗震抗剪承载力5%。     

大型古建筑物顶升施工数值分析方法及应用

大型古建筑物顶升施工的监控难度很大,为了保证顶升过程中结构不发生开裂等损伤状况,有必要对其进行施工数值仿真分析。考虑顶升施工时的具体情况建立了南京博物院老大殿的有限元分析模型,以不同的位移时程曲线模拟顶升施工时可能遇到的典型不利荷载工况,以顶升过程中结构的裂缝宽度作为判断指标,对老大殿顶升施工进行数值仿真模拟。分析结果表明:建筑物顶升应进行严格的位移监控,位移时程差的危害性随位移差的增大而显著增大;用分区施加位移时程差的方法可以清楚判断各区抵抗位移时程差的能力;顶升监控可按结构刚度分区进行,不同刚度区域可选择不同的监控精度。     

大跨度人行桥的人致振动分析与设计方法

主要对行人侧向荷载激励下的大跨度人行桥的侧向振动的模拟以及设计方法进行了研究。采用M ATLAB软件拟合行人侧向荷载的实验数据,得出行人侧向荷载的时程函数。建立行人荷载与人行桥相互作用的模型,进而模拟大量行人同时过桥时的人行桥的侧向振动问题。分析了处于不同行人密度下的人行桥侧向振动问题,并且采用狄拉克函数对传统的算法进行了改进,进而对我国当前的设计规范提出了修改意见。     

基于改进的线性滤波自回归模型法的大跨空间结构风荷载模拟

为了准确模拟大跨空间结构的风荷载,提出了改进的线性滤波自回归模型(Auto-Regressive model)法。该方法基于传统线性滤波自回归模型,通过高斯-赛德尔(Gauss-Seidel)迭代法求解大跨空间结构风荷载模拟中的回归系数矩阵,进而对大跨空间结构的风荷载进行模拟。结果表明:改进的线性滤波AR模型法解决了自由度过大导致的回归系数矩阵不正定的问题;能够有效地模拟具有空间相关性、时间相关性的节点脉动风速时程,模拟精度、速度和计算稳定性均满足实际工程应用要求。     

超高层建筑风致振动的现场实测与数值模拟

通过采用现场实测和数值模拟方法,对某超高层建筑的风致振动特性进行研究。在建筑物顶部布置结构振动监测系统,对常态风和台风作用下的结构振动响应进行测量,分析加速度、位移幅值和结构的自振特性。以实测动力特性为基础,建立超高层建筑的等效气动弹性模型,采用平均风剖面入口,联合ANSYS和CFX对风场与建筑物的流固耦合振动进行数值模拟,得到不同顶部风速下,建筑物不同高度处的位移时程、气动力系数时程及频谱分析、尾流旋涡脱落模式。将数值模拟结果与现有的实测结果进行对比分析,表明该方法模拟流固耦合振动是可行的,并可为实际超高层建筑的抗风设计和舒适性计算提供技术依据。     

考虑墙-框连接方式影响的填充墙框架结构抗震性能分析

在结构设计中,填充墙通常被当作非结构构件,不参与结构抗震计算。在实际地震作用下,填充墙和框架成为整体,共同抵抗地震作用,合适的墙-框连接方式可以减轻二者的相互作用,从而提高结构整体抗震性能。首先,运用ABAQUS软件对前人已开展的考虑墙-框不同连接方式的框架结构拟静力试验进行数值模拟,验证了所建立的有限元模型的可靠性。然后,基于某典型框架结构,建立三种墙-框连接方式的框架结构有限元模型并进行分析。模态分析表明,墙-框连接方式对框架结构的振型及周期影响较小,结构动力特性趋于一致。通过多遇地震和罕遇地震下的弹塑性时程分析,对比分析各结构的加速度反应、位移反应、滞回耗能及构件震害特征等可知,合理的墙-框连接方式可以提高结构抗震性能。针对本文框架结构工程实例,采用墙-框脱开密封材料封缝,构造柱加水平系梁的连接方式时其抗震性较好。     

浅埋小净距隧道掘进爆破引起的地表振动特性模拟分析

基于隧道钻孔爆破时岩体的破坏过程及应力波传播特性,提出了能用于快速计算模拟爆破地震场的等效荷载施加方法。采用等效荷载施加方法对重庆双碑隧道浅埋段掘进爆破时的地表振动进行了数值计算,并将数值计算结果与现场实测振动数据对比分析,验证了该等效荷载施加方法用于模拟计算地表爆破振动特性的可行性。最后,通过计算浅埋小净距隧道两侧隧道掌子面处于不同位置关系时的地表振动情况,得到非主爆隧道开挖后形成的空洞区将对其上部的地表振动强度具有一定的放大作用,且放大倍数与该隧道掌子面同主爆隧道掌子面间的位置相关。     

汽车炸弹爆炸下装配式防爆墙弹塑性动力计算与数值分析

根据汽车炸弹恐怖爆炸的特点,计算了汽车炸弹近地爆炸空气冲击波参数,提出了防爆墙结构等效静载的弹塑性动力计算方法。按该方法设计了一种钢板混凝土装配式防爆墙组合结构,并与有限元数值分析结果进行了比较。结果表明,按该方法设计的防爆墙结构,其设计荷载只有其峰值压力的五分之一,能很好地发挥防爆墙结构塑性变形的特点,具有较大的经济价值。     

大跨度多肢屋盖风荷载特性试验与模拟研究

我国现有建筑荷载规范对复杂大跨度结构的风荷载取值缺乏明确规定。因此,以成都某超大跨度多肢屋盖形式的航站楼为例,采用刚性测压模型风洞试验和数值模拟相结合的方法,研究了该超大跨度屋盖在24个风向角下的风荷载分布规律,并对比验证了现有计算流体动力学方法对复杂大跨屋盖风荷载模拟的有效性和准确性。结果表明:大跨度多肢屋盖上表面基本为负压,各分肢由于外挑屋檐弧度大、转角多、顺风深度窄,屋盖负压值较其他区域更大,是此类屋盖设计时应重点加强的部位;270°为最不利风向角,由于迎风宽度较大,C指廊迎风向屋檐转角处平均风压系数达到-1.4。0°风向角下由于周边建筑高度较低,进深较短,尾流对试验段航站楼影响基本可以忽略;负风压系数负值沿屋檐外轮廓曲线变化呈两端大中间小的趋势。数值风洞对平均风压系数的模拟结果与试验结果吻合较好。     

低矮房屋体形系数的修正及风荷载计算方法研究

低矮房屋在强风作用下倒塌破坏给村镇区域造成严重损失,因此研究低矮房屋表面风荷载特性和分布规律,建立有效的抗风设计方法尤为重要。对10种屋面倾角、3种高深比、3种宽深比,共60个双坡低矮房屋模型进行了风场数值模拟研究,采用分区法获得屋面最不利风荷载分区体型系数,并分析了屋面倾角、高深比、宽深比对风压分布的影响,利用最小二乘法对各分区体型系数进行了屋面倾角、高深比和宽深比三参数的拟合,并将拟合公式和多国风荷载规范给定值进行比较,验证了拟合公式的可靠性。以拟合公式为基础,给出了我国荷载规范中风荷载分区体型系数的建议值,并用于屋面风荷载的计算,改进我国荷载规范中平均风压的计算方法,给出了合理的抗风简化计算公式。     

基于动力离心试验的锚拉桩加固滑坡时程响应分析

时程响应是发展锚索抗滑桩抗震技术和改进抗震设计方法的基础。基于离心模型试验平台,设计完成了50g离心加速度条件下锚索抗滑桩加固滑坡体的振动台模型试验。输入了4种不同强度的Taft地震波,利用布设在不同位置的微型传感器,记录了桩身和滑坡体的动态时程数据,并以此为基础分析了桩身和滑坡体不同位置的时程响应规律。结果表明,锚索抗滑桩和坡体的时程响应均受输入地震动控制,其动态变化形式与输入地震动基本一致;峰值加速度在基岩内部变化不大,在坡体内部从外向内呈现先减小后增大的趋势;不同高程的PGA放大系数呈现高程效应,坡面存在浅表动力效应;坡体内部PGA放大系数总体上随输入地震动的增大而增加,但在基岩面附近放大效应不明显;锚索的加设有效降低了坡体内部中心位置的加速度放大效应。研究成果可为开发科学合理的锚索抗滑桩抗震设计方法和验证数值模拟成果提供参考依据。     

刚性桩复合地基地震响应的拟静力简化计算方法

刚性桩复合地基在建筑结构中已得到广泛应用,但对其地震作用下的动力响应研究还不够充分。采用上海市《建筑抗震设计规程》8度罕遇地震的规范标准反应谱拟合生成人工地震波,以软土场地中的某10层钢筋混凝土框架结构为对象,将土体自由场变形和上部结构惯性力对桩身内力的影响分开考虑,提出一种拟静力简化计算方法,分析刚性桩复合地基的地震响应。并建立刚性桩复合地基-筏板-上部结构体系整体有限元模型,利用数值方法进行动力时程分析,验证了拟静力方法的合理性。进一步分别计算了自由场位移对桩基的作用、刚性桩复合地基-筏板-上部结构体系整体地震响应以及桩筏基础地震响应。结果表明:拟静力方法与数值方法较为吻合,复合地基的桩身内力和筏板底加速度峰值均小于桩筏基础,褥垫层对地震波具有滤过作用,显著减轻了地震的作用效应。     

大直径变截面钢管复合桩竖向承载性能研究∗

为了研究大直径变截面钢管复合桩竖向承载性能,选取鱼山大桥37#桩开展了自平衡试桩试验,并利用数值模拟软件ABAQUS对实际工况进行模拟,在验证了数值模型正确性的基础上对模型施加桩顶竖向荷载,分析了其桩身轴力与钢管应力传递规律,并通过改变变截面位置参数建立不同工况模型,分析了变截面位置对桩基竖向承载性能的影响。研究结果表明:自平衡试桩试验Q-s曲线没有突变较为平缓,经计算该桩单桩承载力为120 056kN,为单桩设计桩顶最大竖向荷载38 212 kN的3.14倍,桩基足够安全;数值模拟结果与实测较为吻合,数值模拟方法以及参数选取得当;变截面位置以上桩身轴力减小较缓,变截面处桩身轴力存在突变,变截面以下桩身轴力减小较快,桩端有端阻力存在,钢管处于弹性变形阶段并未屈服;变截面位置以上桩段越长桩基抵抗竖向变形能力越强,但生产实际中应考虑材料用量以达到最优。     

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。     

地铁内楼梯口处全尺寸火灾实验与数值模拟

建立了地铁实体模型，开展了地铁火灾实验研究，测量了站台与站厅之间的楼梯处的速度和温度等火灾参数。同时利用火灾动力学模拟程序软件对地铁站台火灾进行了数值模拟，研究了地铁站台和站厅连接楼梯处温度和烟气速度的变化趋势，并与实验结果作了对比分析，验证了数值模拟结果的有效性。研究结果可为有效控制烟气在地铁中的蔓延和组织人员疏散提供技术支持。     

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。