基于有限質(zhì)點(diǎn)法的空間鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌破壞研究.pdf

1、本文以空間鋼結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌破壞研究為主線，以向量式結(jié)構(gòu)力學(xué)為理論基礎(chǔ)，以有限質(zhì)點(diǎn)法為手段，分別從幾何破壞、材料破壞、構(gòu)件斷裂以及接觸碰撞四個(gè)方面，通過(guò)理論推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)算，對(duì)空間鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的全過(guò)程進(jìn)行模擬，并對(duì)結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌過(guò)程中的破壞機(jī)理進(jìn)行研究。
　　 基于向量式結(jié)構(gòu)和固體力學(xué)理論，本文提出了一種結(jié)構(gòu)分析的新方法——有限質(zhì)點(diǎn)法。該方法以“點(diǎn)值描述”和“路徑單元”為基本概念，以清晰的物理模型和質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制方程描述結(jié)構(gòu)行為，在結(jié)

2、構(gòu)的幾何非線性、材料非線性以及不連續(xù)行為計(jì)算中有很大的優(yōu)勢(shì)。文中詳細(xì)闡述了有限質(zhì)點(diǎn)法的基本概念和原理，推導(dǎo)了該方法進(jìn)行空間桿系結(jié)構(gòu)和空間梁系結(jié)構(gòu)的基本公式，以及結(jié)構(gòu)中典型約束點(diǎn)及特殊運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的內(nèi)力計(jì)算公式，為空間鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌研究奠定了理論基礎(chǔ)，提供了分析方法。
　　 建立了有限質(zhì)點(diǎn)法進(jìn)行結(jié)構(gòu)幾何非線性動(dòng)力分析的基本框架，對(duì)空間鋼結(jié)構(gòu)的幾何破壞問(wèn)題進(jìn)行了研究。首先驗(yàn)證了有限質(zhì)點(diǎn)法在空間桿系和梁系結(jié)構(gòu)幾何非線性動(dòng)、靜力問(wèn)題求解中的有

3、效性，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)空間鋼結(jié)構(gòu)幾何破壞中的兩種典型破壞模式一失穩(wěn)破壞和機(jī)構(gòu)化破壞一進(jìn)行模擬和分析。探討了空間鋼結(jié)構(gòu)彈性失穩(wěn)破壞的全過(guò)程跟蹤方法，以及結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞機(jī)理。針對(duì)空間鋼結(jié)構(gòu)的機(jī)構(gòu)化破壞問(wèn)題，討論了結(jié)構(gòu)的體系分類，驗(yàn)證了有限質(zhì)點(diǎn)法在動(dòng)不定結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為模擬中的有效性，并對(duì)空間鋼結(jié)構(gòu)的機(jī)構(gòu)化破壞過(guò)程進(jìn)行了分析。
　　 發(fā)展了有限質(zhì)點(diǎn)法進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈塑性分析的基本流程，對(duì)空間鋼結(jié)構(gòu)的材料破壞進(jìn)行了研究。建立了結(jié)構(gòu)的彈塑性模型和單

4、元屈服方程，通過(guò)對(duì)若干桿系和梁系結(jié)構(gòu)的彈塑性分析，驗(yàn)證了有限質(zhì)點(diǎn)法在結(jié)構(gòu)彈塑性分析中的有效性。在考慮壓桿失穩(wěn)模型的基礎(chǔ)上，分析結(jié)構(gòu)的彈塑性失穩(wěn)過(guò)程，研究了不同的本構(gòu)模型對(duì)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模式的影響。為分析空間鋼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力彈塑性行為，建立了彈塑性模型加卸載過(guò)程中的應(yīng)力判斷準(zhǔn)則和計(jì)算流程，對(duì)空間鋼結(jié)構(gòu)往復(fù)荷載下的滯回性能進(jìn)行了模擬和分析。
　　 提出了構(gòu)件斷裂的模擬算法，對(duì)空間鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的斷裂行為進(jìn)行了研究。基于材料試驗(yàn)和文獻(xiàn)資料，建立了結(jié)

5、構(gòu)構(gòu)件的斷裂準(zhǔn)則和斷裂模式，給出了斷裂發(fā)生后質(zhì)點(diǎn)內(nèi)力、外力、質(zhì)量等的計(jì)算方法。從能量分析的角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)若干數(shù)值算例的分析驗(yàn)證了斷裂算法的合理性。結(jié)合結(jié)構(gòu)的幾何和材料非線性分析，對(duì)空間鋼結(jié)構(gòu)的斷裂過(guò)程進(jìn)行了分析。
　　 提出了構(gòu)件接觸和碰撞模擬算法，對(duì)空間鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的接觸和碰撞行為進(jìn)行了研究。文中基于空間向量分析理論提出了結(jié)構(gòu)空間運(yùn)動(dòng)中的接觸偵測(cè)方法，然后根據(jù)碰撞類型的不同，分別建立了結(jié)構(gòu)剛性體碰撞和柔性體碰撞模型，推導(dǎo)了有限

6、質(zhì)點(diǎn)法中結(jié)構(gòu)碰撞反應(yīng)的計(jì)算公式。通過(guò)對(duì)典型算例的分析，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)接觸偵測(cè)算法的準(zhǔn)確性和結(jié)構(gòu)碰撞反應(yīng)算法的有效性。
　　 綜合以上各部分的分析和程序成果，以某空間懸挑網(wǎng)架在臺(tái)風(fēng)下的連續(xù)倒塌破壞為例，分別采用桿單元和梁?jiǎn)卧獙?duì)該結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載下的連續(xù)倒塌全過(guò)程進(jìn)行逐步分析。通過(guò)將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)破壞情形進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了有限質(zhì)點(diǎn)法在結(jié)構(gòu)復(fù)雜行為分析中的有效性，也深入了解了該結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌破壞機(jī)理。
　　 本文的研究工作模擬了空間鋼結(jié)