【正文】 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。 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。 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。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。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?，?duì)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(guó)內(nèi)外關(guān)于拱的沖擊力學(xué)行為的研究較少。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。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)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。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]。 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。 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 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。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)。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。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。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。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 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 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。 (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。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。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。 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。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。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。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。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)。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。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。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。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。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)。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。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。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。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。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。郭彥林，郭宇飛，竇 超[8]對(duì)兩鉸圓弧形鋼管桁架拱的彈性及彈塑性失穩(wěn)機(jī)理及承載性能進(jìn)行了深入研究，考慮了全跨和半跨水平均布荷載、跨中及 1/4 跨集中荷載等多種類型的荷載效應(yīng)?？疾炝耸缚绫?、腹桿尺寸、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)。劇錦三，郭彥林[14]應(yīng)用非線性有限元方法研究了索拱結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)穩(wěn)定問題。國(guó)外也有許多學(xué)者做了相關(guān)研究, Deutsch、Harries、Kuranishi和Lu,chnag和Harrison研究了在非對(duì)稱荷載作用下的拋物線拱的彈性承載力[15,16]。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。Pi、Bradford和Uy[21]用能量法建立了非線性平衡方程和屈曲方程來考慮受徑向均布荷載的任意截面圓弧拱的面內(nèi)穩(wěn)定問題,指出經(jīng)典屈曲理論高估了扁拱的對(duì)稱躍越屈曲荷載和反對(duì)稱分岔屈曲荷載,并建議了非扁拱的面內(nèi)分岔屈曲荷載的計(jì)算公式。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。目前的一些理論研究都選取了圓弧拱進(jìn)行研究，這是因?yàn)閳A弧是最簡(jiǎn)單的拱軸線形式。張耀春，張秀華[26]對(duì)空間格構(gòu)式圓拱進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，利用ANSYS有限元程序?qū)Ω駱?gòu)式拱在滿跨均布荷載作用下進(jìn)行了幾何非線性分析,并從結(jié)構(gòu)的荷載位移全過程曲線考察該結(jié)構(gòu)平面內(nèi)穩(wěn)定問題的基本規(guī)律。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。 動(dòng)力穩(wěn)定性研究 對(duì)于鋼拱動(dòng)力穩(wěn)定性方面的研究，近年來開展的較少。理論方面，大多數(shù)學(xué)者集中在對(duì)彈性圓弧扁拱的研究上[27]。文獻(xiàn)[33]則著重分析了高拱的動(dòng)力穩(wěn)定性，認(rèn)