【正文】 .......................................... 40 信號去噪 ......................................................... 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 作者簡歷 ................................................ 69 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 1 第一章 緒論 選題的背景與意義 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)件的動力行為研究對于揭示復(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。因此目前的研究更側(cè)重于對鋼拱結(jié)構(gòu)平面內(nèi)穩(wěn)定性的研究 。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。 Patodi和Jethmalani[22]用幾何非線性有限元跟蹤了跨中受集中荷載的正弦扁拱的屈曲后性能 ,并用一種修正位移增量算法來加快收斂。分析考慮損傷和不考慮損傷的鋼管拱桁架結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下的破壞峰值加速度、最大節(jié)點(diǎn)位移和破壞位置的不同。 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 5 綜上所述，可見國內(nèi)外學(xué)者對于拱的穩(wěn)定性能的研究多是 靜力荷載下的，而對與格構(gòu)拱的動力穩(wěn)定課題也多是對在地震作用下的拱動力響應(yīng)的研究，而在格構(gòu)拱的受沖擊荷載穩(wěn)定研究方面還涉及較少。再根據(jù)本構(gòu)關(guān)系計(jì)算應(yīng)力 ? ， )d,|(| )()( ??? ttt f??? （ 34） 然后集成節(jié)點(diǎn)內(nèi)力 )(| ttI ?? ，最后設(shè)置時(shí)間 t 為 tt ?? ，返回至節(jié)點(diǎn)計(jì)算。剛性體單元不再進(jìn)行單元層次的計(jì)算，其參 考點(diǎn)的最多 6 個(gè)自由度就完全確定了剛性體的運(yùn)動。最后通過 ABAQUS 后處理器得到格構(gòu)式鋼拱在沖擊荷載作用下的接觸反力、沖擊接觸時(shí)間、 Mises應(yīng)力、豎向位移、能量值等 計(jì)算結(jié)果。 表 21 V=1m/s到 V=10m/s 的剛體塊嵌入格構(gòu)拱拱頂鋼管最大深度 V(m/s) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 最大嵌入深度（ mm） 圖 212 為所有模擬情形下沖擊荷載最大峰值隨沖擊速度的變化曲線圖。從圖可以看出，當(dāng) a 時(shí)，即格構(gòu)拱與剛體的質(zhì)量比小于 時(shí)，隨著質(zhì)量比的增大即剛體塊質(zhì)量的減小，接觸時(shí)間迅速減小。本節(jié)在保持上述有限元模型不變的情況下，模擬了質(zhì)量為 20Kg 的剛體以初始速度 V=10m/s 沖擊壁厚為 1mm、 2mm、 3mm的彈塑性格構(gòu)式鋼管拱的過程，分析了格構(gòu)拱的管壁厚度對沖擊響應(yīng)的影響。而當(dāng) a 時(shí)，即格構(gòu)拱與剛體的質(zhì)量比大于 時(shí)，隨著質(zhì)量比的增大，接觸時(shí)間也隨著質(zhì)量比的增加變化很小，趨于平緩。他們認(rèn)為 : 對于所加荷載的某個(gè)值，如果一個(gè)的微小增量就導(dǎo)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)發(fā)生巨大變化，那么這個(gè)荷載值便是臨界屈曲荷 載。而對于格構(gòu)拱動力屈曲的研究也更關(guān)注使結(jié)構(gòu)喪失承載力的整體屈曲。 圖 36 彈塑性完善 格構(gòu)拱 和缺陷 格構(gòu)拱 的 最大位移差值 曲線 第三章 格構(gòu)拱的彈塑性動力屈曲 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 26 圖 36 彈塑性完善 格構(gòu)拱 和缺陷 格構(gòu)拱 的 最大速度差值 曲線 圖 38 為當(dāng)沖擊速度為 11m/s 時(shí)，完善 格構(gòu)拱 與含缺陷 格構(gòu)拱 的 內(nèi)能差值 時(shí)程曲線， 參照本文屈曲判定方法， 由圖中得出的屈曲時(shí)間為 。 表 34 不同質(zhì)量彈塑性格構(gòu)拱臨界沖擊速度 剛體質(zhì)量（ kg） 20 40 60 80 100 Vcr（ m/s） 9 6 5 4 4 圖 312 屈曲時(shí)間隨剛體質(zhì)量的變化趨勢圖 第三章 格構(gòu)拱的彈塑性動力屈曲 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 30 由表 34 可以看出，當(dāng)剛體質(zhì)量小于 60kg 時(shí)，隨著沖擊質(zhì)量的增大，臨界沖擊速度明顯減小，而當(dāng)剛體質(zhì)量為 60kg 時(shí)，臨界沖擊速度為 5m/s，當(dāng)剛體塊的質(zhì)量為 80kg 和 100kg 時(shí)，屈曲的臨界速度均為 4m/s。即此時(shí) 刻格構(gòu)拱發(fā)生失穩(wěn)。 （ 4） 王仁能量準(zhǔn)則 王仁 [47]能量準(zhǔn)則看來有類似的思路 ,王仁能量準(zhǔn)則即有限時(shí)間內(nèi)的塑性動力屈曲準(zhǔn)則 ,其基本思想是 :在一定沖擊載荷作用下 ,若對于它所處基本運(yùn)動的任何一個(gè)幾何可能偏離 ,都必將使系統(tǒng)在此偏離過程中所吸收的能量大于載荷所做的功 ,則它的基本運(yùn)動是穩(wěn)定的 ,或者說對任何導(dǎo)致屈曲的相對于前屈曲運(yùn)動的任何偏離 ,都將違背能量關(guān)系 ,則屈曲不發(fā)生 . 王仁能量準(zhǔn)則克服了放大函數(shù)法中人為因 素的不足 ,可用于處理非保守系統(tǒng)的動力穩(wěn)定性問題 ,特別是可用來討論短時(shí)超強(qiáng)載荷作用下結(jié)構(gòu)的塑性動力屈曲問題 ,且其形式簡單 ,具有較為鮮明的物理意義 . 但是至今只是在受軸向沖擊的圓柱殼中有過簡單應(yīng)用，很難在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)。 表 31 格構(gòu)拱 中施加的初始缺陷 屈曲模態(tài) 1 2 3 4 5 幅值 第三章 格構(gòu)拱的彈塑性動力屈曲 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 22 圖 32 格構(gòu)拱第一階整體屈曲模態(tài)變形圖 動力屈曲過程分析和動力屈曲判斷準(zhǔn)則 動力屈曲判斷準(zhǔn)則 介紹 動力屈曲問題中由于增加了時(shí)間參數(shù)，相比于靜力屈曲問題要更加復(fù) 雜。 （ 2）質(zhì)量比對沖擊響應(yīng)的影響： 隨著質(zhì)量比的增加，即剛體塊的質(zhì)量越小，剛體塊嵌入格構(gòu)拱拱頂鋼管深度越小，且隨著質(zhì)量比增大，嵌入深度變化趨于不變。由圖可以看出，對于三種格構(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，很快達(dá)到最大峰值，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。 圖 216剛體塊嵌入格構(gòu)拱拱頂鋼管最大深度隨質(zhì)量比變化圖 圖 217 為 沖擊荷載最大峰值 隨 質(zhì)量比的 變化趨 勢圖 。 觀察圖 28， V=1m/s、 V=5m/s 和 V=10m/s 的豎 向位移差時(shí)程曲線，曲線突變出剛體塊與拱頂開始接觸，接觸后位移差的絕對值繼續(xù)增大，因?yàn)槟Ｐ椭惺軟_擊點(diǎn)梁單元 B31 節(jié)點(diǎn)為該處鋼管的形心，所以增加的位移代表的意義是剛體塊嵌入拱頂鋼管深度的深度，即受沖擊處鋼管的局部變形。 圖 24 是在 ABAQUS 中建立的有限元模型圖，模擬圖 22 所示的沖擊過程。 使模型的一部分成為剛性體有助于達(dá)到驗(yàn)證模型的目的。 ABAQUS 擁有一個(gè)圖形用戶界面 ABAQUS/CAE，即人機(jī)交互前后處理模塊，還有兩個(gè)主求解器模塊 :ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explic it。試驗(yàn)參數(shù)包括偏心率和截面參數(shù) (含鋼率和混凝土強(qiáng)度 )。文獻(xiàn) [33]則著重分析了高拱的動力穩(wěn)定性，認(rèn)為中心角的大小、邊界條件及初始幾何缺陷幅值對圓拱失穩(wěn)模態(tài)有影響。 Kang和Yoo[18,19]用能量法推導(dǎo)了薄壁截面圓拱的屈曲方程 ,并給出了解析解。并結(jié)合理論分析對沖擊作用下格構(gòu)式鋼拱的彈塑性穩(wěn)定性能進(jìn)行研究。 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。 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。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Ω駱?gòu)拱穩(wěn)定承載力的研究具有很大意義。 國內(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)。 Kim、 Min和 Suh[20]運(yùn)用虛功原理推導(dǎo)了薄壁非對稱截面圓拱的屈曲方程 ,考慮了初始應(yīng)力和 Wagner效應(yīng) ,并給出了閉合解。 韓慶華 [3436]依據(jù)已有的 BR 動力失穩(wěn)判定準(zhǔn)則和評定網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)動力強(qiáng)度破壞行為的方法，研究大跨度格構(gòu)式拱型剛架結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下進(jìn)入塑性桿件數(shù)目及比例，以及結(jié)構(gòu)最大位移的變化規(guī)律。介紹了試件的內(nèi)容、試驗(yàn)裝置與方法 ,并重點(diǎn)進(jìn)行了偏心率對鋼管混凝土偏壓構(gòu)件受力性能影響的分析。 ABAQUS/Standard(通用程序 )主 要用來求解線性和非線性問題； ABAQUS/Explic it(顯示分析 )用來求解像沖擊和爆炸這樣短暫和瞬時(shí)的動態(tài)事件和一些高度非線性問題。例如，在復(fù)雜的模型中，所有潛在的接觸條件是難以預(yù)見的，可以將遠(yuǎn)離接觸區(qū)域的單元定義為剛性體，從而導(dǎo)致更快的運(yùn)行速度。 格構(gòu)式鋼拱使用的是 B31 梁單元， B31 是個(gè)三維線性梁單元，適用于顯式動力計(jì)算，每個(gè)單元具有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有 3 個(gè)平動自由度和 3 個(gè)繞模型所在平面法線的轉(zhuǎn)動自由度，梁單元的截面在 ABAQUS中以幾 何的方式定義，通過橫截面上的數(shù)值積分， ABAQUS 計(jì)算梁的橫截面行為，并允許材料具有線性和非線性的行為，該單元可以輸出軸向應(yīng)力和軸向應(yīng)變，也可以根據(jù)用戶的需要輸出軸向應(yīng)力、彎矩和繞局部梁的曲率等； R3D4 是平面應(yīng)力剛體單元，具有四個(gè)節(jié)點(diǎn)， 模型中沖擊塊用三維四邊形剛性單元 R3D4 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，采用通用接觸算法和動力學(xué)接觸公式。表 21 為 V=1m/s 到 V=10m/s 的最大嵌入深度。 由圖可以看出，隨著質(zhì)量比的 增大剛體即剛體塊質(zhì)量的減小 ， 沖擊荷載最大峰值不斷減小。隨著格構(gòu)拱跨度的增大，最大峰值越來越大。 隨著質(zhì)量比的增加，即剛體塊質(zhì)量的越小，沖擊荷載最大峰值不斷減小。對于沖擊荷載作用下的屈曲問題，在邏輯上合理并且實(shí)用的屈曲準(zhǔn)則是非常重要的，但遺憾的是至今還沒有出現(xiàn)一致的觀點(diǎn)。 由于 BR 準(zhǔn)則適用于保守系統(tǒng)與非保守體統(tǒng)，且 便于在計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算上實(shí)施， 本章擬基于經(jīng)典的 BR 準(zhǔn)則提出判定動力屈曲的準(zhǔn)則。由此得出的失穩(wěn)時(shí)間與由內(nèi)能差所得出的失穩(wěn)時(shí)刻具有高度的吻合性。總體而言，隨著剛體塊的質(zhì)量增加時(shí)，臨界沖擊速度在減小，當(dāng)剛體塊質(zhì)量大于 60k。且 t= 時(shí)，格構(gòu)拱撓度撓度為 ，約為格構(gòu)拱跨度的 1/50，遠(yuǎn)大于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中受彎桁架撓度容許值 1/400，可以判斷此時(shí)為整體屈曲。 郭海山等人 [49]在 研究網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)動力穩(wěn)定性過程中提出的以結(jié)構(gòu)運(yùn)動的位移包絡(luò)面上的最大位移作為判定指標(biāo)，這樣可以反映整體結(jié)構(gòu)運(yùn)動情況。 （ 1） BR 運(yùn)動準(zhǔn)則 Budiansky 和 Roth[44]在研究球殼的動力穩(wěn)定性時(shí)，提出了經(jīng)典的 BR 運(yùn)動準(zhǔn)則。 當(dāng) a 時(shí)，即格構(gòu)拱與剛體的質(zhì)量比小于 時(shí)，隨 著質(zhì)量比的減小即剛體沖擊塊質(zhì)量的增大，接觸時(shí)間迅速增大。 管壁厚度 對沖擊 響應(yīng) 的影響 對于一定質(zhì)量的剛體，在同 一沖擊速度下格構(gòu)式鋼拱的管壁厚度不