【正文】 學(xué)位論文受沖擊格構(gòu)式鋼拱彈塑性失穩(wěn)數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究Study on Elasticplastic Bucking of Steel Lattice ArchAffected by Impact: Simulation and Experiment本文首先使用ABAQUS/Explicit模擬了剛體橫向沖擊彈塑性格構(gòu)式鋼拱的過程，研究了各種因素對(duì)沖擊響應(yīng)的影響,得出：隨著沖擊速度的增加，剛體塊嵌入格構(gòu)拱拱頂鋼管深度逐漸增大，沖擊荷載最大峰值和沖擊接觸時(shí)間亦顯著增大；隨著質(zhì)量比的增加，剛體塊嵌入深度和沖擊荷載最大峰值逐漸減小，接觸時(shí)間增大；隨著矢跨比的增大，沖擊荷載最大峰值和接觸時(shí)間逐漸減小，剛體塊嵌入深度增大；隨著格構(gòu)拱跨度的增大，沖擊荷載最大峰值、接觸時(shí)間和剛體塊嵌入深度都逐漸增大；隨著格構(gòu)拱壁厚的增大，沖擊荷載最大峰值逐漸增大，剛體塊嵌入深度和接觸時(shí)間逐漸減小。本文通過分析剛體沖擊彈塑性格構(gòu)式鋼拱過程，提出了基于整體變形和內(nèi)能判斷彈塑性格構(gòu)拱動(dòng)力屈曲的判別準(zhǔn)則。根據(jù)判別準(zhǔn)則得出：隨著沖擊速度和剛體質(zhì)量的增大，屈曲時(shí)間減??；隨著剛體塊的質(zhì)量增大，臨界沖擊速度減小，當(dāng)剛體塊質(zhì)量較大時(shí)，臨界屈曲速度變化較小。采用應(yīng)變電測(cè)技術(shù)對(duì)格構(gòu)式鋼拱在沖擊作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)格構(gòu)式鋼拱在落錘的沖擊作用下結(jié)構(gòu)破壞形式有兩種情況，分別為：（1）支座處破壞；（2）彈塑性大變形破壞。在兩種破壞形式下結(jié)構(gòu)均發(fā)生整體失穩(wěn)，且為平面外失穩(wěn)。關(guān)鍵詞：格構(gòu)式鋼拱，沖擊荷載，接觸時(shí)間，動(dòng)力屈曲，試驗(yàn)研究AbstractThis paper firstly used ABAQUS/Explicit to simulate the process of elasticplastic steel lattice arch transversely impacted by rigid body,and the impact response effected by various factors was studied. The main conclusions are as follows: when the velocity of rigid body is increasing, the depth embedded by rigid body in steel tube of the lattice arch vault changes larger, the impact load peak value changes greater, the contact time presents an significant increase。 with the increase of mass ratio, namely the quality of the rigid block is smaller, the depth embedded by rigid body in steel tube of the lattice arch vault and the impact load peak value change smaller, the contact time changes shorter。 with the increase of risetospan ratio, the impact load peak value and the contact time have decreased, the depth embedded by rigid body changes greater。 with the increase of lattice arch span, the impact load peak value, the contact time and the depth embedded by rigid body all have decreased。 with the increase of lattice arch wall thickness, the contact time and the depth embedded by rigid body have decreased, the impact load peak value changes greater. And the paper analyzed the conclusions in consideration of the plastic deformation and the plastic dissipation energy.Through analyzing the process of elasticplastic lattice arch impacted by the rigid body, the paper proposed the dynamic buckling judgment criterion based on the overall deformation and the internal energy. According to the judgment criterion, the main conclusions are as follows: when the velocity of rigid body or the quality of the rigid block has increased, the buckling time changes shorter。 with the increase of the quality of rigid block, the critical velocity changes smaller, and while the quality of rigid block is quite great, the critical velocity changes little.In the experimental part, strain electrical measurement technology was used to measure the dynamic responses of steel lattice arches under impact. There are two forms of structure collapse when the steel lattice arches are impacted by drop hammer machine, respectively: (1) the steel lattice arch supports damage。 (2) damaged by the elasticplastic large deformation. In two forms the structure are global instability, which happened out of plane. Key words: steel lattice arch，impact load，contact time，dynamic buckling，experimental research目 錄第一章 緒論 1 1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 研究?jī)?nèi)容和方法 5第二章 格構(gòu)拱的彈塑性沖擊響應(yīng) 6 ABAQUS軟件概述 6 模型的建立 8 各種因素對(duì)彈塑性格構(gòu)拱沖擊響應(yīng)的影響 10 本章小結(jié) 19第三章 格構(gòu)拱的彈塑性動(dòng)力屈曲 21 有限元模型的建立 21 動(dòng)力屈曲過程分析和動(dòng)力屈曲判斷準(zhǔn)則 22 各種因素對(duì)彈塑性格構(gòu)拱動(dòng)力屈曲的影響 27 本章小結(jié) 30第四章 格構(gòu)拱沖擊試驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 31 試驗(yàn)設(shè)備介紹 31 試件設(shè)計(jì)與加工 33 材性試驗(yàn) 35 沖擊試驗(yàn)步驟 37 有限元數(shù)值模擬 38 本章小結(jié) 39第五章 格構(gòu)拱沖擊試驗(yàn)結(jié)果分析 40 小波理論與MATLAB基礎(chǔ) 40 信號(hào)去噪 41 應(yīng)變時(shí)程分析 43 破壞形態(tài)及屈曲形狀分析 52 本章小結(jié) 59第六章 結(jié)論與展望 61 結(jié)論 61 展望 62參考文獻(xiàn) 63致謝 67作者簡(jiǎn)歷 69III中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論第一章 緒論 格構(gòu)式鋼拱介紹拱是一種常見的工程結(jié)構(gòu)，由于許多復(fù)雜系統(tǒng)是由梁、板、拱、殼等結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成，而這些結(jié)構(gòu)構(gòu)件的動(dòng)力行為研究對(duì)于揭示復(fù)雜系統(tǒng)的響應(yīng)特性是非常重要的，特別在橋梁、國(guó)防、航天航空等工程中，常常作為承受沖擊荷載的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件。建筑結(jié)構(gòu)為提高結(jié)構(gòu)的效率，在力學(xué)角度都遵循將外荷載產(chǎn)生的彎矩轉(zhuǎn)化為構(gòu)件的軸向拉壓力的規(guī)律[1]。而拱和桁架都能通過其自身的結(jié)構(gòu)特性將彎矩轉(zhuǎn)化為軸力，所以，格構(gòu)拱作為這兩種結(jié)構(gòu)的結(jié)合，其受力更加合理。格構(gòu)拱又可以分為平面和立體桁架拱，本文以立體桁架拱為研究對(duì)象。立體桁架拱參數(shù)較多，按截面形式有正三角形、倒三角形、梯形等；按軸線形式有圓弧形、拋物線形等；按約束方式有無鉸拱、兩鉸拱和三鉸拱等。在目前工程中格構(gòu)拱已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，其中以鋼管作為材料的格構(gòu)拱更是占大多數(shù)，其中有北京首都機(jī)場(chǎng)T3航站樓、國(guó)家大劇院、國(guó)家體育館等。 格構(gòu)式鋼拱受沖擊研究意義建筑結(jié)構(gòu)上所承受的荷載有很多種，其中按照作用時(shí)間可分為：永久荷載、可變荷載、偶然荷載。而設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，通常只考慮永久荷載和可變荷載的組合。沖擊荷載作為一種偶然荷載，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期可能不會(huì)出現(xiàn)，但是若出現(xiàn)，其值很大，持續(xù)時(shí)間較短，所以對(duì)沖擊荷載的難度較大。國(guó)內(nèi)外關(guān)于拱的沖擊力學(xué)行為的研究較少。但一些災(zāi)害性事故中卻不乏建筑結(jié)構(gòu)遭受沖擊荷載的例子，如1945年美國(guó)紐約帝國(guó)大廈在大霧中遭到一架B25轟炸機(jī)的沖撞，第二次世界大戰(zhàn)中英國(guó)被炸彈命中多層框架建筑等，而近期恐怖襲擊頻繁發(fā)生，事故中沖擊荷載對(duì)建筑產(chǎn)生了巨大的破壞，沖擊荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響逐漸引起了學(xué)者的關(guān)注。而作為建筑結(jié)構(gòu)中的常用構(gòu)件，格構(gòu)拱在沖擊荷載作用下的性能研究就越發(fā)重要。在已有研究中，大多數(shù)是關(guān)于拱在靜力荷載下穩(wěn)定問題的研究。拱結(jié)構(gòu)具有將抵抗橫向荷載轉(zhuǎn)化為抵抗截面軸向壓力的特性，因此，其在全跨均布荷載作用下具有良好的受力性能和較高的穩(wěn)定承載力，又因?yàn)楣爸械氖芰σ詨毫蛷澗貫橹鳎瑢?duì)格構(gòu)拱穩(wěn)定承載力的研究具有很大意義。但是對(duì)于拱的穩(wěn)定性問題分析起來難度較大，這是由于拱的參數(shù)比較多，影響到穩(wěn)定性問題的因素也比較多，非線性比較強(qiáng)。對(duì)于拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行研究時(shí)，問題包括平面內(nèi)穩(wěn)定和平面外穩(wěn)定，其中由于可以通過設(shè)置面外支撐解決平面外穩(wěn)定問題，設(shè)計(jì)的控制因素通常為面內(nèi)問題。因此目前的研究更側(cè)重于對(duì)鋼拱結(jié)構(gòu)平面內(nèi)穩(wěn)定性的研究。 在研究構(gòu)件的穩(wěn)定問題時(shí)，我們通常采用解析方法和數(shù)值方法，這兩種方法同樣適用于對(duì)拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的研究。鋼拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的研究主要包含兩個(gè)方向：一是重新探索各種解法，二是利用已有方法，揭示鋼拱結(jié)構(gòu)在不同平衡路徑下的穩(wěn)定性，同時(shí)得到相應(yīng)的極限承載力和變形規(guī)律。 格構(gòu)拱繼承了拱結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題的特性，有機(jī)結(jié)合了桁架和拱。但是相較于實(shí)腹式拱，對(duì)格構(gòu)拱失穩(wěn)問題進(jìn)行分析時(shí)需要考慮弦桿和腹桿的局部穩(wěn)定對(duì)其整體穩(wěn)定性能所具有的影響。同時(shí)，與實(shí)腹式拱相比，影響格構(gòu)拱穩(wěn)定性能的參數(shù)更多，如弦桿和腹桿的截面尺寸、桁架節(jié)間尺寸等，且目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于格構(gòu)拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能的研究較少。又近年來，由于空心管截面所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，越來越得到設(shè)計(jì)師們的青睞。由方鋼管做弦桿,方鋼管、圓鋼管做腹桿的截面三角形的空間格構(gòu)式拱結(jié)構(gòu)，已在建筑中得到應(yīng)用，如南京國(guó)際展覽中心屋蓋就采用了截面為倒放三角形的空間格構(gòu)式拱結(jié)構(gòu)[2]。截面為正放三角形的空間格構(gòu)式拱結(jié)構(gòu),具有受力合理、空間剛度大、節(jié)點(diǎn)處理簡(jiǎn)捷等諸多優(yōu)點(diǎn)。特別之處在于,該體系的檁條可沿縱向懸掛在下弦之間,使屋面位于下弦處,既減小了檁條跨度,又節(jié)約了建筑空間,并具有良好的采光效果,是一種很有推廣前景的結(jié)構(gòu)體系[3]。因此，有必要對(duì)鋼管格構(gòu)拱的沖擊力學(xué)行為進(jìn)行研究。本課題主要采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)的方法。并結(jié)合理論分析對(duì)沖擊作用下格構(gòu)式鋼拱的彈塑性穩(wěn)定性能進(jìn)行研究。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 靜力穩(wěn)定性研究 鋼拱平面內(nèi)穩(wěn)定性理論研究大致經(jīng)歷了三個(gè)階段[4]：第一階段是以平衡分岔屈曲為主的彈性屈曲經(jīng)典理論，重點(diǎn)研究靜水壓力作用下圓弧拱、全跨豎向均布荷載作用下拋物線拱及沿弧長(zhǎng)均勻分布豎向荷載作用下懸鏈線拱三種純壓拱平衡分岔屈曲的荷載及相應(yīng)的屈曲模態(tài)。第二階段在彈性屈曲經(jīng)典理論的基礎(chǔ)上考慮了幾何非線性對(duì)拱平面內(nèi)穩(wěn)定的不利影響，即考慮了所謂 PΔ效應(yīng)，該理論稱為二階彈性理論。第三階段同時(shí)考慮了幾何非線性和材料非線性的影響，被稱為彈塑性穩(wěn)定理論。它能夠考慮幾何初始缺陷、殘余應(yīng)力的影響并跟蹤鋼拱面內(nèi)失穩(wěn)的荷載位移平衡全過程路徑，并最終獲得更為準(zhǔn)確的穩(wěn)定承載力。對(duì)于實(shí)腹式鋼拱，林冰,郭彥林[5,6,7]采用大撓度彈塑性有限單元法對(duì)均勻受壓兩鉸圓弧鋼拱的平面內(nèi)穩(wěn)定性、均勻受壓等截面三鉸圓弧鋼拱的平面內(nèi)穩(wěn)定性和極限強(qiáng)度、全跨豎向均布荷載作用下純壓拋物線拱平面內(nèi)穩(wěn)定承載力進(jìn)行研究,考慮了材料非線性、殘余應(yīng)力、初始幾何缺陷和矢跨比的影響, 得到了熱軋圓管截面、焊接工字形截面和焊接箱形截面三鉸、兩鉸和無鉸拋物線鋼拱在不同工況下的平面內(nèi)穩(wěn)定設(shè)計(jì)曲線，并與國(guó)內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的設(shè)計(jì)曲線進(jìn)行了對(duì)比；得出了建議的穩(wěn)定設(shè)計(jì)曲線可用于均勻受壓兩鉸圓弧鋼拱的平面內(nèi)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定曲線不能直接用于拱的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，并以拱的正則化長(zhǎng)細(xì)比為基本參數(shù),統(tǒng)一了三鉸、兩鉸和無鉸純壓拋物線鋼拱的平面內(nèi)穩(wěn)定設(shè)計(jì)曲線,可用于全跨豎向均布荷載作用下純壓拋物線鋼拱的平面內(nèi)穩(wěn)定性設(shè)計(jì),同時(shí)可供實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)使用和制定有關(guān)規(guī)程時(shí)參考。格構(gòu)拱是一種綜合了拱與桁架結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)體系，廣泛地應(yīng)用于大跨度空間結(jié)構(gòu)中。格構(gòu)拱形式有平面和立體之分，應(yīng)為立體結(jié)構(gòu)具有較大的面外剛度，目