【正文】 剛體質(zhì)量對(duì)彈塑性格構(gòu)拱動(dòng)力屈曲的影響 第二章中詳細(xì)介紹了沖擊荷載與質(zhì)量比的關(guān)系，結(jié)果證明隨著剛體塊質(zhì)量的減小，沖擊荷載也逐漸減小，且接觸時(shí)間也越來越短。 圖 34 為 彈塑性含缺陷格構(gòu)拱拱頂 的橫向 位移 時(shí)程曲線，由圖可以看出 當(dāng) t＜ 時(shí)，拱頂 的橫向 位移剛受沖擊時(shí)迅速增大，觀察此時(shí)間段內(nèi)格構(gòu)拱應(yīng)力云圖，發(fā)現(xiàn)只有拱頂位置達(dá)到屈服應(yīng)力，判斷此時(shí)橫向位移增大是由于拱頂受沖擊鋼管發(fā)生局部屈曲造成的，但是對(duì)整體承載力沒有影響，隨后橫向位移基本保持不變， 而當(dāng) t= 秒時(shí)刻，橫向位移 波動(dòng)較大，并迅速增大， 據(jù)此可以 認(rèn)為此刻 格構(gòu)拱 發(fā)生了 失穩(wěn) 。當(dāng)很難找到確切的臨界荷載時(shí)，用 Hsu 能量 準(zhǔn)則得到的臨界載荷上、下界數(shù)值具有很大的意義。 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章 格構(gòu)拱的彈塑性動(dòng)力屈曲 21 第三 章 格構(gòu)拱 的彈塑性動(dòng)力屈曲 本章使用 ABAQUS/Explicit 模擬了剛體橫向沖擊彈塑性格構(gòu)式鋼拱動(dòng)力屈曲過程，考慮了彈塑性應(yīng)力波傳播和反射，分析了動(dòng)力屈曲形式，并在此基礎(chǔ)上選取了彈塑性格構(gòu)拱屈曲的判斷準(zhǔn)則，并使用該準(zhǔn)則分析了沖擊速度和剛體質(zhì)量等因素對(duì)格構(gòu)拱動(dòng)力屈曲的影響。并對(duì)其影響因素進(jìn)行了總結(jié)概括： （ 1）沖擊速度對(duì)沖擊響應(yīng)的影響 : 當(dāng) 1m/s≤V≤7m/s 時(shí)，沖擊荷載產(chǎn)生后，一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了零值，之后再次產(chǎn)生，這說明沖擊過程中，剛體塊與個(gè)格構(gòu)拱發(fā)生了短暫的分離，之后又發(fā)生了二次碰撞。由圖可以看出，對(duì)于三種矢跨比，沖擊荷載時(shí)程曲線形狀基本相同，整個(gè)沖擊過程中剛體與格構(gòu)拱只接觸一次 ，沖擊荷載在格構(gòu)拱與剛體接觸之后很快就達(dá)到了峰值，之后沖擊荷載不斷減小，最后趨于零，此時(shí)格構(gòu)拱與剛體分開運(yùn)動(dòng)。本節(jié)在保持上述有限元模型不變的情況下，模擬了不同質(zhì)量的剛體以初始速度 V=3m/s 沖擊彈塑性格構(gòu)式鋼管拱的過程，分析了剛體質(zhì)量對(duì)沖擊響應(yīng)的影響。為了描述上述沖擊過程，下面以 V=1m/s、 V=5m/和 V=10m/s 為例分析上述過程。 圖 22 矩形質(zhì)量沖擊塊 與 格構(gòu)拱橫向 碰撞 幾何模型 本模型為立體格構(gòu)拱，軸線形狀為圓弧形，長(zhǎng) L，高 H，采用等腰三角形截面如圖 23，弦桿和腹桿采用圓鋼管，圓鋼管直徑 D=，鋼管壁厚為 。 圖 21 ABAQUS 的模塊和分析過程 ABAQUS 中剛性體簡(jiǎn)介 在 ABAQUS 軟件中，剛性體是單元和節(jié)點(diǎn)的集合體，單元和節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)由剛性體參考點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)所控制。另外， ABAQUS 還擁有一個(gè)包含各種類型材料的材料模型庫，可以模擬典型工程中材料的性能，其中包括金屬、鋼筋混凝土、復(fù)合材料和巖石等。 郭彥林 ,林冰 ,郭宇飛 [41]進(jìn)行了鋼拱平面內(nèi)整體穩(wěn)定承載力的試驗(yàn)研究，進(jìn)行了全跨豎向均布荷載和半跨豎向均布荷載作用下焊接工字形截面兩鉸拋物線鋼拱平面內(nèi)穩(wěn)定承載力試驗(yàn)研究。由于非線性方程非常復(fù)雜不能解出精確解，必須進(jìn)行非線性數(shù)值分析，這就需要借助于有限元軟件或者根據(jù)現(xiàn)有理論編制相應(yīng)的有限元分析程序?？疾炝耸缚绫取⒏箺U尺寸、腹桿夾角和截面寬高比等不同參數(shù)對(duì)鋼管桁架拱穩(wěn)定承載力的影響，為桁架拱穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法的建立奠定了重要基礎(chǔ)。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。 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。 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。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。 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。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，目前大多數(shù)的研究都針對(duì)立體形式下的。程鵬[25]對(duì)兩鉸圓弧拱進(jìn)行了非線性穩(wěn)定性的理論分析，解出了圓弧拱在均布徑向力、全跨自重荷載、全跨均布荷載、跨中集中力作用下的線性精確解，并給出了一定情況下的非線性屈曲的臨界荷載公式?？紤]幾何及材料非線性，分析了懸跨比、節(jié)點(diǎn)形式及幾何參數(shù)對(duì)三角形立體管桁架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。 （ 2）通過對(duì)比前人試驗(yàn)，參照數(shù)值模型，設(shè)立試驗(yàn)研究各參數(shù)對(duì)格構(gòu)拱受沖擊穩(wěn)定性能的影響，并與有限元模擬結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值模擬模型的可行性與適用性，分析格構(gòu)式鋼構(gòu)的受沖擊破壞形式。 對(duì)于一個(gè)完整的 ABAQ US/Explic it 分析過程，通常有三個(gè)步驟：前處理、模擬計(jì)算和后處理。只要將單元賦予剛體，殼單元或者剛性單元都可以用于模擬相同的問題。由于剛體塊與拱之間預(yù)設(shè)了一段距離，所以速度越大與剛體塊接觸越早，沖擊荷載產(chǎn)生越早。 圖 212 沖擊荷載 最大峰值 隨沖擊速度 的 變化曲線 圖 213 為所有模擬情形下格構(gòu)拱與剛體接觸時(shí)間隨沖擊速度變化的趨勢(shì)圖。 圖 218 接觸時(shí)間隨 質(zhì)量比的 變化曲線 矢跨比 對(duì)沖擊 響應(yīng) 的影響 對(duì)于一定質(zhì)量的剛體，在同一沖擊速度下格構(gòu)拱的矢跨比不僅影響沖擊荷載的大小，對(duì)沖擊接觸持續(xù)的時(shí)間，以及沖擊荷載的曲線形狀都會(huì)有一定的影響。隨著格構(gòu)拱壁厚的增大，最大峰值越來越大。 （ 4）跨度對(duì)沖擊響應(yīng)的影響： 取格構(gòu)拱跨度為 2m、 和 ，對(duì)于三種格構(gòu)拱跨度，沖擊荷載時(shí)程曲線形狀基本相同，整個(gè)沖擊過程中格構(gòu)拱與剛體塊只接觸一次。但是應(yīng)用 BR 準(zhǔn)則時(shí)需要選取合理的動(dòng)力響應(yīng)特征參數(shù) , 最需要注意的是如何確定結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的巨大變化 , 這些都很難有比較統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 圖 33 給出了 完善 格構(gòu)拱 和含初始缺陷 格構(gòu)拱 的內(nèi)能 差值時(shí)程曲線。 各種因素對(duì)彈塑性格構(gòu)拱 動(dòng)力屈曲的影響 沖擊速度對(duì)彈塑性格構(gòu)拱動(dòng)力屈曲的影響 本文第二章較為詳細(xì)的介紹了沖擊速度對(duì)沖擊荷載的影響，由第二章的結(jié)論可知，沖擊荷載的峰值和接觸時(shí)間是和沖擊速度成正比的關(guān)系，為了探索沖擊速度對(duì)拱動(dòng)力屈曲的影響，在上節(jié)算例的基礎(chǔ)上，改變沖擊速度 V，利用上節(jié)所得出的利用內(nèi)能差值和最大位移差值判斷拱動(dòng)力屈曲的方法，得到?jīng)_擊速度對(duì)格構(gòu)拱拱動(dòng)力屈曲的影響。 表 33 剛體塊質(zhì)量對(duì)彈塑性格構(gòu)拱屈曲時(shí)間的影響 質(zhì)量（ kg） 20 30 40 50 60 70 100 bt (ms) 7 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章 格構(gòu)拱的彈塑性動(dòng)力屈曲 29 圖 311 屈曲時(shí)間隨剛體質(zhì)量的變化趨勢(shì)圖 表 33 和圖 311 顯示了彈塑性格構(gòu)式鋼拱屈曲時(shí)間隨剛體質(zhì)量的變化趨勢(shì)圖，由圖可知，整體而言，隨著剛體質(zhì)量的增大，屈曲 時(shí)間逐漸減小，在剛體質(zhì)量在 20kg 到 40kg 的區(qū)間內(nèi)時(shí)，屈曲時(shí)間變化較快，迅速減小，在質(zhì)量大于 40kg 時(shí)，彈塑性格構(gòu)式鋼拱的屈曲時(shí)間變化趨勢(shì)趨于平緩，隨著剛體質(zhì)量的增加，屈曲時(shí)間緩慢減小。 圖 34 彈塑性含缺陷格構(gòu)拱拱頂 橫向 位移 時(shí)程曲線 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章 格構(gòu)拱的彈塑性動(dòng)力屈曲 25 圖 35 彈塑性含缺陷 格構(gòu)拱拱頂 橫向速度時(shí)程曲線 因?yàn)楦駱?gòu)式鋼拱的鋼管局部屈曲對(duì)結(jié)構(gòu)承載力影響較小，并不影響使用，格構(gòu)拱的屈曲判定更為關(guān)注的是格構(gòu)拱的整體屈曲破壞，所以取格構(gòu)式鋼拱拱頂觀測(cè)橫向位移及速度的方法，并不能很好地反應(yīng)格構(gòu)拱 的整體運(yùn)動(dòng)情況。通過求解運(yùn)動(dòng)方程 , 得到未擾動(dòng)部分解的具體形式，取臨界屈曲荷載為初始缺陷放大到規(guī)定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載值。模型中沖擊塊用剛性單元模擬，在剛體上方的剛性參考節(jié)點(diǎn)處定義一個(gè)質(zhì)量單元，賦給其沖擊塊的質(zhì)量 m，剛體豎向初速度 v 為系統(tǒng)的初始條件，邊界條件為梁的兩端固支。 當(dāng) 1m/s≤V≤10m/s 時(shí)，沖擊荷載最大峰值隨著沖擊速度的增加不斷波動(dòng)變化，整體趨勢(shì)為不斷增大。 拱跨度 對(duì)沖擊 響應(yīng) 的影響 對(duì)于一定質(zhì)量的剛體，在同一沖擊速度下，同一矢跨比格構(gòu)式鋼拱的跨度不僅影響沖擊荷載的大小，對(duì)沖擊接觸持續(xù)的時(shí)間，以及沖擊荷載的曲線形狀都會(huì)有一定的影響。由圖可以看出，當(dāng) a 為 時(shí)，整 個(gè)模擬過程中剛體與格構(gòu)拱發(fā)生了二次接觸，沖擊荷載時(shí)程曲線的形狀基本一致。圖 28 至圖 211 分別為 V=1m/s、 V=5m/s和 V=10m/s 拱頂受沖擊點(diǎn)和剛體塊的豎向位移差和豎向速度差的時(shí)程曲線。本章中的有限元幾何模型以及劃分網(wǎng)格都是通過 ANSYS 軟件使用 APDL 語言編寫宏文件，進(jìn)行參數(shù)化建模，輸出 INP 文件，導(dǎo)入 ABAQUS 軟件中進(jìn)行計(jì)算與后處 理。通過節(jié)點(diǎn)連接和通過接觸可變形的單元，剛體與模型中的其他部分發(fā)生相互作用。對(duì)于高度非線性問題，用戶只需要提供相關(guān)的工程數(shù)據(jù)，如結(jié)構(gòu)的幾何信息、材料性質(zhì)、邊界條件及荷載情況。 陳寶春等進(jìn)行過兩根鋼管混凝土單圓管肋拱面內(nèi)全過程試驗(yàn) [42]。僅有的一些研究也主要借助有限元軟件來實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)索 拱雜交結(jié)構(gòu)的非線性穩(wěn)定分析獲得，索可以非常有效地控制拱結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)和破壞模式，提高其極限承載能力，并影響破壞過程及后屈曲平衡路線。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]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于拱的沖擊力學(xué)行為的研究較少。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)。 (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 III 目 錄 第一章 緒論 .............................................. 1 選題的背景與意義 ................................................... 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)