基于显式动力有限元的大跨空间网格结构连续性倒塌分析研究

摘要

结构的连续性倒塌是指非预期荷载导致的局部破坏产生不平衡力，使其邻域单元内力变化而失效，并促使构件破坏连续性扩展下去，造成与初始破坏不成比例的部分或全部结构倒塌。近年来，世界各国对于结构的抗连续倒塌性能进行了深入的研究，并在框架结构领域中取得了丰富成果。随着社会经济的快速发展和人们审美水平的提高，越来越多的大跨空间网格结构形式的建筑物纷纷建成。目前，大跨空间网格结构抗连续倒塌的研究仍处于起步阶段，相关的深入研究仍不多见。
　　 本文在总结国内外有关结构连续性倒塌研究成果和设计方法的基础上，利用动力有限元分析软件LS-DYNA的强大功能，采用变换荷载路径法对大跨空间网格结构进行抗连续倒塌分析。采用变换荷载路径方法需要解决两个关键问题，一是确定在设计允许的偶然荷载下失效构件的位置，一是正确模拟构件失效后产生的动力效应。
　　 对于结构重要构件的判断，本文在国内外学者提出的几种结构重要构件判断方法中选择采用了简化的敏感性分析方法。同时，利用参数化设计语言APDL编写了相应的计算命令流。
　　 构件失效的模拟方法通常有两种，一种是采用荷载时程曲线的动力模拟方法，一种是在构件失效影响区域考虑荷载动力放大系数的静力模拟方法。本文运用有限元软件LS-DYNA的完全重启动功能，采用大阻尼瞬时卸载法进行动力分析。该方法能较好的考虑结构的初始应力及模拟构件失效引起的动力效应，又能减少整个计算时间。
　　 结构的连续性倒塌是一个非常复杂的非线性动力过程。在考虑结构初始应力的基础上，通过按显式积分算法和隐式积分算法分别对沈阳奥体网球馆下弦杆失效的剩余结构进行动力分析，证明了本文所采用LS-DYNA显式算法对结构进行连续性倒塌分析的正确性。同时对构件移除时采用不同的失效时间对剩余结构动力响应的影响进行了研究，结果表明，失效时间越短，引起的振动越剧烈，对剩余结构的破坏越严重。
　　 对于静力模拟方法，本文针对大跨空间网格结构，采用以失效构件反力对结构静力作用的影响为基础来考虑动力放大系数的作用范围的方法。对沈阳奥体网球馆和松江大学体育馆两个工程实例的分析表明这种方法是可行的，并对该类结构的荷载动力放大系数的取值大小进行了研究。
　　 本文以沈阳奥体网球馆和松江大学体育馆两个空间网格结构屋盖体系为对象，对其进行了结构抗连续倒塌性能的分析。分析结果表明，这种结构冗余度较高，从中移除某根杆件进行分析，并不会引起结构的连续性倒塌。
　　 文章最后结合连续性倒塌的发生过程，总结并提出了一些提高建筑物抗连续倒塌能力的措施。同时，针对钢结构的检测鉴定，提出了评估构件重要性的几点建议。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 连续性倒塌的概述

1．2．1 连续性倒塌的概念

1．2．2 连续性倒塌的三次研究高潮

1．3 大跨空间网格结构抗连续倒塌研究现状

1．3．1 国外抗连续倒塌研究现状

1．3．2 国内抗连续倒塌研究现状

1．4 抗连续倒塌设计规范

1．4．1 英国及欧洲规范

1．4．2 日本设计指南

1．4．3 美国规范

1．4．4 我国相关规范

1．5 本文主要研究内容和工作

第二章 ANSYS/LS-DYNA程序介绍

2．1 LS-DYNA的功能特点

2．2 显式时间积分算法

2．3 LS-DYNA动态接触算法

2．3．1 基本概念

2．3．2 接触算法

2．3．3 接触类型

2．4 重启动分析功能

2．5 应力初始化

2．5．1 隐式-显式连续求解方法

2．5．2 动力松弛方法

2．6 计算模型介绍

2．6．1 材料模型

2．6．2 网格划分

2．6．3 接触方式

2．6．4 阻尼取值

2．7 本章小结

第三章 大跨空间网格结构抗连续倒塌分析方法

3．1 连续性倒塌分析方法

3．1．1 线性静力分析

3．1．2 非线性静力分析

3．1．3 线性动力分析

3．1．4 非线性动力分析

3．2 重要构件判断方法

3．2．1 概念判断

3．2．2 敏感性分析

3．2．3 在有限元软件ANSYS中的实现

3．3 构件失效模拟方法

3．3．1 动力模拟方法

3．3．2 静力模拟方法

3．4 结构连续性倒塌判定准则

3．4．1 构件失效判定准则

3．4．2 结构倒塌判定准则

3．5 结构连续性倒塌分析流程

3．6 本章小结

第四章 沈阳奥体网球馆空间网格结构连续性倒塌分析

4．1 工程概况

4．2 重要构件判断

4．2．1 概念判断

4．2．2 敏感性分析

4．3 结构抗连续倒塌性能分析

4．3．1 下弦杆失效

4．3．2 角柱失效

4．3．3 中柱失效

4．3．4 多根中柱失效

4．4 本章小结

第五章 松江大学体育馆空间网格结构连续性倒塌分析

5．1 工程概况

5．2 重要构件判断

5．2．1 概念判断

5．2．2 敏感性分析

5．3 结构抗连续倒塌性能分析

5．3．1 下弦杆失效

5．3．2 角柱失效

5．3．3 横向杆件失效

5．4 两个工程对比分析

5．5 本章小结

第六章 提高结构抗连续倒塌能力的措施及钢结构检测鉴定中的构件重要性评估建议

6．1 提高结构抗连续倒塌能力的措施

6．1．1 控制偶然事件

6．1．2 防止结构发生连续性倒塌

6．2 构件重要性评估建议

6．3 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 全文总结

7．2 展望

致谢

参考文献