冲击荷载下网壳结构的动力响应性能研究

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随着社会经济的发展以及人们对建筑结构功能和舒适度要求的提高,大跨空间结构,特别是网壳结构,已作为各地的标志性建筑物得到越来越广泛的应用。同时冲击现象也随之增加,并且冲击荷载具有短时超强、破坏力极大的特点。网壳结构一旦遭受冲击作用,在结构遭受严重破坏的同时,往往会给社会及人们的心理带来严重的负面影响。特别是在9.11事件后,人们对冲击荷载作用下结构的动力响应与失效模式更为关注。所以对于大跨空间结构在冲击荷载作用下的研究也成为当今的热点问题。  本文首先介绍了分析冲击问题的相关基础理论、Hamilton变分原理、结构动力学基本方程的推导及求解非线性问题的中心差分法。然后对ANSYS/LS-DYNA求解冲击问题中的建模方法进行说明,定义了单元类型、材料属性和接触类别,提出了网壳在冲击作用下合理的建模方法。  运用ANSYS/LS-DYNA软件对冲击荷载作用下的70m跨度的K8型带下部柱单层球面网壳进行了分析,通过考察结构的变形全过程以及结构的动力响应,总结了带下部柱单层球面网壳在冲击荷载下的失效模式,同时分析了各种失效模式中的动力响应(冲击力、节点速度、节点位移、杆件应力)特点。  通过改变冲击物质量、冲击速度、冲击点位置、冲击柱高度等参数,对带下部柱网壳结构在冲击荷载下的响应进行了参数研究,考察了这些参数对带下部柱单层球面网壳动力响应的影响。本文主要成果如下:  (1)根据结构动力响应及最终变形,总结了带下部柱单层球面网壳结构在冲击荷载下的四类失效模式:结构轻度损伤、结构局部凹陷、下部柱断裂结构局部凹陷和结构高速冲切破坏。  (2)水平侧向冲击作用下结构的冲击力主要为三角形脉冲荷载,冲击持时很短。  (3)当冲击柱顶点时结构的响应特殊,上部结构有杆件失效。此外还发现,冲击位置越靠上,柱更易于弯曲型破坏;反之,柱更易于剪切型破坏。  (4)冲击破坏主要体现在承受冲击的下部柱及与其相连的网壳杆件,由于结构有足够的约束冗余度,即使是某个柱遭到严重的冲击破坏,也不会发生结构整体倒塌的严重后果。
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