【正文】 m/s 時并未出現(xiàn)此現(xiàn)象。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。在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，通過處理這些數(shù)據(jù)，得到了彈塑性格構(gòu)拱的沖擊荷載和接觸時間隨沖擊速度的變化規(guī)律。本節(jié)在保持上述沖擊模型不變的情況下，模擬了剛體橫向撞擊線性強化彈塑性格構(gòu)拱的過程，模型參照圖 22，其中拱跨度 L=，高度 H=，剛體質(zhì)量 m=20Kg，沖擊速度介于 V=1m/s 到 10m/s 范圍內(nèi)。 格構(gòu)式鋼拱使用的是 B31 梁單元， B31 是個三維線性梁單元，適用于顯式動力計算，每個單元具有兩個節(jié)點，每個節(jié)點具有 3 個平動自由度和 3 個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，具有四個節(jié)點， 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)點處定義一個質(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接觸公式。通過改變宏文件以及 INP輸入文件中不同參數(shù)的值建立不同模擬情形下的模型，以實現(xiàn)對不同沖擊速度、剛體質(zhì)量和矢跨比等條件下的模擬。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，進行參數(shù)化建模，輸出 INP 文件，導入 ABAQUS 軟件中進行計算與后處 理。拱材料為鋼材，材料性質(zhì)為：中國農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文 第二章 格構(gòu)拱的彈塑性沖擊響應(yīng) 9 密度 ,/7800 3mkg?? 彈性模量 PaEE ? ，泊松比 ?? ，材料模型都采用分段線性塑性模型（ Piecewise Linear Plasticity） ，屈服強度 235MPa，強度極限 380MPa。 模型的建立 幾何模型的建立 幾何 模型如圖 22 所示， 立方體質(zhì)量塊 m 以 橫 向 速度 v 撞擊 鋼管格構(gòu)拱 。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。因此，在 ABAQUS/Explic it 分析中，對于模擬結(jié)構(gòu)中相對比較剛性的部分，若其中的波動和應(yīng)力分布是不重要的，應(yīng)用剛性體特別有效。 通過把部分模型定義為剛性體而不是變形的有限單元體，可以很大的提高計算效率。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，可以將遠離接觸區(qū)域的單元定義為剛性體，從而導致更快的運行速度。當 ABAQUS 應(yīng)用于準靜態(tài)成 型分析時，采用剛性體模擬加工工具（如沖頭、抽拉模具、夾具、輥軸等）是非常理想的，將其作為一種約束方式也很有效。通過節(jié)點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。通過在剛體參考點上施加邊界條件來控制剛性體的運動。 和 都是輸出文件，不同的是 可用寫字板讀取，而 文件本身不可讀，只能用可視化模塊（ Visualization）進行圖形讀取。 對于一個完整的 ABAQ US/Explic it 分析過程，通常有三個步驟：前處理、模擬計算和后處理。 時間步長 t? 的選擇涉及到兩個方面的約束：一方面由于中心差分法用差分代替積分，且對中國農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文 第二章 格構(gòu)拱的彈塑性沖擊響應(yīng) 7 位移和加速度的變化采用引申的線性關(guān)系，因此 t? 的取值不能過大；一方面是因為數(shù)值穩(wěn)定性問題。 其基本過程為，首先進行節(jié)點計算，由動力學平衡方程： )||()(| )()(1)( ttt IPMu ??? ??? （ 31） 時間進行顯式積分為： tttttttt uttuu |2 )||(|| ..)()()2(.)2(. ????? ?????? （ 32） )2(.)()()( |||| ttttttt utuu ?????? ??? （ 33） 再對單元計算，先根據(jù)應(yīng)變速率 .? ，計算單元應(yīng)變增量 ?d 。 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的動態(tài)事件和一些高度非線性問題。另外，用戶可以通過定義準確的參數(shù)以實現(xiàn)很好的控制數(shù)值模擬結(jié)果。對于高度非線性問題，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。 ABAQ US 作為通用的模擬軟件，除了能模擬大量結(jié)構(gòu)問題，還可以模擬工程領(lǐng)域中的其他許多問題，例如熱電耦合分析、熱傳導及巖土力學分析等。 ABAQ US 具有一個非常豐富的單元庫，可以模擬任意的幾何形狀。 （ 2）通過對比前人試驗，參照數(shù)值模型，設(shè)立試驗研究各參數(shù)對格構(gòu)拱受沖擊穩(wěn)定性能的影響，并與有限元模擬結(jié)果的對比，驗證數(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。 研究內(nèi)容和方法 通過研究希望得到： （ 1）格構(gòu)式拱受沖擊荷載時動力屈曲運動的有效有限元模擬方法； （ 2）模擬不同參數(shù)（沖擊速度、剛體質(zhì)量、矢跨比、跨度等）下 格構(gòu) 拱的動力響應(yīng)，研究不同參數(shù)時動力屈曲的變化規(guī)律 （ 3）參照數(shù)值模擬建立試驗，試驗結(jié)果和數(shù)值結(jié)果進行對比，分析差別與優(yōu)缺點，研究格構(gòu)式鋼構(gòu)的受力性能。但偏心率對構(gòu)件的延性系數(shù)影響不大 。介紹了試件的內(nèi)容、試驗裝置與方法 ,并重點進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。試驗 [43]共對 18 根鋼管混凝土偏心受壓短柱進行了測試。 陳寶春等進行過兩根鋼管混凝土單圓管肋拱面內(nèi)全過程試驗 [42]。通過試驗揭示了拋物線鋼拱平面內(nèi)的失穩(wěn)破壞機理 ， 全跨豎向均布荷載作用下拋物線鋼拱發(fā)生不完全反 對稱的平面內(nèi)失穩(wěn)破壞 ， 半跨豎向均布荷載作用下拋物線鋼拱發(fā)生反對稱的平面內(nèi)失穩(wěn)破壞 ； 半跨豎向均布荷載作用下拋物線鋼拱的穩(wěn)定承載能力低于全跨豎向均布荷載作用下的穩(wěn)定承載能力 。我國學者楊桂通 [40]早在上世紀 90 年代就為求解結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下大變形響應(yīng)進行實驗研究，以不同速度運行的物體垂直沖擊圓拱、剛架和旋轉(zhuǎn)扁殼，記錄由此引起的沖擊點位移、速度曲線以及某些關(guān)鍵點的動態(tài)應(yīng)變歷史，從而為尋找規(guī)律、建立模型提供資料?？紤]幾何及材料非線性，分析了懸跨比、節(jié)點形式及幾何參數(shù)對三角形立體管桁架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。同時考慮行波效應(yīng)，研究單榀鋼管拱桁架結(jié)構(gòu)的非線性地震反應(yīng)。 李海旺 [37,38]利用 ABAQUS 有限元軟件，考慮鋼材損傷累積和失效對鋼管拱桁架在強震作用下的動力響應(yīng)及破壞形式進行分析。 韓慶華 [3436]依據(jù)已有的 BR 動力失穩(wěn)判定準則和評定網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)動力強度破壞行為的方法，研究大跨度格構(gòu)式拱型剛架結(jié)構(gòu)在強震作用下進入塑性桿件數(shù)目及比例，以及結(jié)構(gòu)最大位移的變化規(guī)律。 Bolotin[28]給出了周期荷載激勵下雙鉸圓拱的動力穩(wěn)定區(qū)域的解 析解； Humphreys[29]用 Galerkin 法求解階躍荷載作用下拱的運動方程，認為非對稱模態(tài)對失穩(wěn)值有較大影響； Hoff 和 Bruce[30]發(fā)現(xiàn)階躍荷載作用下臨界條件與總勢能面的特性有關(guān)； Hsu[31]的研究表明，對于兩鉸圓拱來說，高于第二階模態(tài)的高階模態(tài)不會對臨界值有影響； Gregory 和 Plaut[32]指出：對于大多數(shù)對稱分布的階躍荷載，其動力穩(wěn)定臨界第一章 緒論 中國農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文 4 值將高于相應(yīng)的靜力穩(wěn)定臨界值。僅有的一些研究也主要借助有限元軟件來實現(xiàn)。而且現(xiàn)有的研究也多是基于有限元軟件的分析。通過對大量數(shù)據(jù)進行回歸分析 ,得出格構(gòu)式圓拱平面內(nèi)整體穩(wěn)定臨界荷載擬合公式 ,供設(shè)計參考。程鵬[25]對兩鉸圓弧拱進行了非線性穩(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。 PiYongLin等 [23,24]運用非線性彈塑性有限單元模型研 究了焊接工字形截面兩鉸、無鉸圓弧拱平面內(nèi)穩(wěn)定性設(shè)計方法。近年來 ,由于解析方法的局限性和數(shù)值方法的迅猛發(fā)展 ,許多學者把精力放在了用有限元來進行拱的非線性屈曲問題研究。 Kim、 Min和 Suh[20]運用虛功原理推導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。 Qqaihs和 Haddadin[17]建立了受拱頂集中荷載的變截面彈性圓弧拱的屈曲方程 ,討論了不同矢跨比和不同截面形式的拱的越躍屈曲荷載。通過對索 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。文獻 [8]～ [13]運用 ANSYS 軟件進行了一些鋼桁架拱的穩(wěn)定性分析。分析了鋼管桁架拱在不同荷載作用下的失穩(wěn)破壞機理，指出其會發(fā)生整體失穩(wěn)、弦桿局部失穩(wěn)、腹桿局部失穩(wěn)以 及局部與整體的相關(guān)失穩(wěn)等多種破壞模式。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)的研究都針對立體形式下的。 對于實腹式鋼拱， 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)計曲線，并與國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的設(shè)計曲線進行了對比；得出了建議的穩(wěn)定設(shè)計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，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，并以拱的正則化長細比為基本參數(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 ,同時可供實際設(shè)計時使用和制定有關(guān)規(guī)程時參考。第三階段同時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。 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)。本課題主要采用數(shù)值模擬和試驗的方法。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]。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]。同時，與實腹式拱相比，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，且目前國內(nèi)外對于格構(gòu)拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能的研究較少。 格構(gòu)拱繼承了拱結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題的特性，有機結(jié)合了桁架和拱。 在研究構(gòu)件的穩(wěn)定問題時，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拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的研究。對于拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行研究時，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)計的控制因素通常為面內(nèi)問題。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，又因為拱中的受力以壓力和彎矩為主，對格構(gòu)拱穩(wěn)定承載力的研究具有很大意義。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。國內(nèi)外關(guān)于拱的沖擊力學行為的研究較少。而設(shè)計結(jié)構(gòu)時，通常只考慮永久荷載和可變荷載的組合。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)，其中有北京首都機場 T3 航站樓、國家大劇院、國家體育館等。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象。建筑結(jié)構(gòu)為提高結(jié)構(gòu)的效率，在力學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]。 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 dynami