基于有限質(zhì)點法的空間鋼結(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方面，通過理論推導(dǎo)和數(shù)值計算，對空間鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的全過程進行模擬，并對結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌過程中的破壞機理進行研究。
　　 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)點法。該方法以“點值描述”和“路徑單元”為基本概念，以清晰的物理模型和質(zhì)點運動控制方程描述結(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)行為計算中有很大的優(yōu)勢。文中詳細(xì)闡述了有限質(zhì)點法的基本概念和原理，推導(dǎo)了該方法進行空間桿系結(jié)構(gòu)和空間梁系結(jié)構(gòu)的基本公式，以及結(jié)構(gòu)中典型約束點及特殊運動點的內(nèi)力計算公式，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)點法進行結(jié)構(gòu)幾何非線性動力分析的基本框架，對空間鋼結(jié)構(gòu)的幾何破壞問題進行了研究。首先驗證了有限質(zhì)點法在空間桿系和梁系結(jié)構(gòu)幾何非線性動、靜力問題求解中的有

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

4、元屈服方程，通過對若干桿系和梁系結(jié)構(gòu)的彈塑性分析，驗證了有限質(zhì)點法在結(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)過程，研究了不同的本構(gòu)模型對結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模式的影響。為分析空間鋼結(jié)構(gòu)的動力彈塑性行為，建立了彈塑性模型加卸載過程中的應(yīng)力判斷準(zhǔn)則和計算流程，對空間鋼結(jié)構(gòu)往復(fù)荷載下的滯回性能進行了模擬和分析。
　　 提出了構(gòu)件斷裂的模擬算法，對空間鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的斷裂行為進行了研究?；诓牧显囼灪臀墨I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)點內(nèi)力、外力、質(zhì)量等的計算方法。從能量分析的角度出發(fā)，通過對若干數(shù)值算例的分析驗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，對空間鋼結(jié)構(gòu)的斷裂過程進行了分析。
　　 提出了構(gòu)件接觸和碰撞模擬算法，對空間鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的接觸和碰撞行為進行了研究。文中基于空間向量分析理論提出了結(jié)構(gòu)空間運動中的接觸偵測方法，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)點法中結(jié)構(gòu)碰撞反應(yīng)的計算公式。通過對典型算例的分析，驗證了結(jié)構(gòu)接觸偵測算法的準(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)架在臺風(fēng)下的連續(xù)倒塌破壞為例，分別采用桿單元和梁單元對該結(jié)構(gòu)在動荷載下的連續(xù)倒塌全過程進行逐步分析。通過將計算結(jié)果與現(xiàn)場破壞情形進行對比，驗證了有限質(zhì)點法在結(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)倒塌破壞機理。
　　 本文的研究工作模擬了空間鋼結(jié)