受冲击格构式钢拱弹塑性失稳数值模拟与试验研究毕业论文.docx

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受冲击格构式钢拱弹塑性失稳数值模拟与试验研究毕业论文

学位论文

受冲击格构式钢拱弹塑性失稳数值模拟与试验研究

StudyonElastic-plasticBuckingofSteelLatticeArch

AffectedbyImpact:

SimulationandExperiment

本文首先使用ABAQUS/Explicit模拟了刚体横向冲击弹塑性格构式钢拱的过程，研究了各种因素对冲击响应的影响,得出：

随着冲击速度的增加，刚体块嵌入格构拱拱顶钢管深度逐渐增大，冲击荷载最大峰值和冲击接触时间亦显著增大；随着质量比的增加，刚体块嵌入深度和冲击荷载最大峰值逐渐减小，接触时间增大；随着矢跨比的增大，冲击荷载最大峰值和接触时间逐渐减小，刚体块嵌入深度增大；随着格构拱跨度的增大，冲击荷载最大峰值、接触时间和刚体块嵌入深度都逐渐增大；随着格构拱壁厚的增大，冲击荷载最大峰值逐渐增大，刚体块嵌入深度和接触时间逐渐减小。

本文通过分析刚体冲击弹塑性格构式钢拱过程，提出了基于整体变形和内能判断弹塑性格构拱动力屈曲的判别准则。

根据判别准则得出：

随着冲击速度和刚体质量的增大，屈曲时间减小；随着刚体块的质量增大，临界冲击速度减小，当刚体块质量较大时，临界屈曲速度变化较小。

采用应变电测技术对格构式钢拱在冲击作用下的动力响应进行试验研究，发现格构式钢拱在落锤的冲击作用下结构破坏形式有两种情况，分别为：

（1）支座处破坏；

（2）弹塑性大变形破坏。

在两种破坏形式下结构均发生整体失稳，且为平面外失稳。

关键词：

格构式钢拱，冲击荷载，接触时间，动力屈曲，试验研究

Abstract

ThispaperfirstlyusedABAQUS/Explicittosimulatetheprocessofelastic-plasticsteellatticearchtransverselyimpactedbyrigidbody,andtheimpactresponseeffectedbyvariousfactorswasstudied.Themainconclusionsareasfollows:

whenthevelocityofrigidbodyisincreasing,thedepthembeddedbyrigidbodyinsteeltubeofthelatticearchvaultchangeslarger,theimpactloadpeakvaluechangesgreater,thecontacttimepresentsansignificantincrease;withtheincreaseofmassratio,namelythequalityoftherigidblockissmaller,thedepthembeddedbyrigidbodyinsteeltubeofthelatticearchvaultandtheimpactloadpeakvaluechangesmaller,thecontacttimechangesshorter;withtheincreaseofrise-to-spanratio,theimpactloadpeakvalueandthecontacttimehavedecreased,thedepthembeddedbyrigidbodychangesgreater;withtheincreaseoflatticearchspan,theimpactloadpeakvalue,thecontacttimeandthedepthembeddedbyrigidbodyallhavedecreased;withtheincreaseoflatticearchwallthickness,thecontacttimeandthedepthembeddedbyrigidbodyhavedecreased,theimpactloadpeakvaluechangesgreater.Andthepaperanalyzedtheconclusionsinconsiderationoftheplasticdeformationandtheplasticdissipationenergy.

Throughanalyzingtheprocessofelastic-plasticlatticearchimpactedbytherigidbody,thepaperproposedthedynamicbucklingjudgmentcriterionbasedontheoveralldeformationandtheinternalenergy.Accordingtothejudgmentcriterion,themainconclusionsareasfollows:

whenthevelocityofrigidbodyorthequalityoftherigidblockhasincreased,thebucklingtimechangesshorter;withtheincreaseofthequalityofrigidblock,thecriticalvelocitychangessmaller,andwhilethequalityofrigidblockisquitegreat,thecriticalvelocitychangeslittle.

Intheexperimentalpart,strainelectricalmeasurementtechnologywasusedtomeasurethedynamicresponsesofsteellatticearchesunderimpact.Therearetwoformsofstructurecollapsewhenthesteellatticearchesareimpactedbydrophammermachine,respectively:

（1）thesteellatticearchsupportsdamage;

（2）damagedbytheelastic-plasticlargedeformation.Intwoformsthestructureareglobalinstability,whichhappenedoutofplane.

Keywords:

steellatticearch，impactload，contacttime，dynamicbuckling，experimentalresearch

目录

第一章绪论1

1.1选题的背景与意义1

1.2国内外研究现状2

1.3研究内容和方法5

第二章格构拱的弹塑性冲击响应6

2.1ABAQUS软件概述6

2.2模型的建立8

2.3各种因素对弹塑性格构拱冲击响应的影响10

2.4本章小结19

第三章格构拱的弹塑性动力屈曲21

3.1有限元模型的建立21

3.2动力屈曲过程分析和动力屈曲判断准则22

3.3各种因素对弹塑性格构拱动力屈曲的影响27

3.4本章小结30

第四章格构拱冲击试验方案设计31

4.1试验设备介绍31

4.2试件设计与加工33

4.3材性试验35

4.4冲击试验步骤37

4.5有限元数值模拟38

4.6本章小结39

第五章格构拱冲击试验结果分析40

5.1小波理论与MATLAB基础40

5.2信号去噪41

5.3应变时程分析43

5.4破坏形态及屈曲形状分析52

5.5本章小结59

第六章结论与展望61

6.1结论61

6.2展望62

参考文献63

致谢67

作者简历69

第一章绪论

1.1选题的背景与意义

1.1.1格构式钢拱介绍

拱是一种常见的工程结构，由于许多复杂系统是由梁、板、拱、壳等结构构件组成，而这些结构构件的动力行为研究对于揭示复杂系统的响应特性是非常重要的，特别在桥梁、国防、航天航空等工程中，常常作为承受冲击荷载的结构和构件。

建筑结构为提高结构的效率，在力学角度都遵循将外荷载产生的弯矩转化为构件的轴向拉压力的规律[1]。

而拱和桁架都能通过其自身的结构特性将弯矩转化为轴力，所以，格构拱作为这两种结构的结合，其受力更加合理。

格构拱又可以分为平面和立体桁架拱，本文以立体桁架拱为研究对象。

立体桁架拱参数较多，按截面形式有正三角形、倒三角形、梯形等；按轴线形式有圆弧形、抛物线形等；按约束方式有无铰拱、两铰拱和三铰拱等。

在目前工程中格构拱已经得到广泛应用，其中以钢管作为材料的格构拱更是占大多数，其中有北京首都机场T3航站楼、国家大剧院、国家体育馆等。

1.1.2格构式钢拱受冲击研究意义

建筑结构上所承受的荷载有很多种，其中按照作用时间可分为：

永久荷载、可变荷载、偶然荷载。

而设计结构时，通常只考虑永久荷载和可变荷载的组合。

冲击荷载作为一种偶然荷载，在设计基准期可能不会出现，但是若出现，其值很大，持续时间较短，所以对冲击荷载的难度较大。

国内外关于拱的冲击力学行为的研究较少。

但一些灾害性事故中却不乏建筑结构遭受冲击荷载的例子，如1945年美国纽约帝国大厦在大雾中遭到一架B25轰炸机的冲撞，第二次世界大战中英国被炸弹命中多层框架建筑等，而近期恐怖袭击频繁发生，随着9.11事件的发生，事故中冲击荷载对建筑产生了巨大的破坏，冲击荷载对结构的影响逐渐引起了学者的关注。

而作为建筑结构中的常用构件，格构拱在冲击荷载作用下的性能研究就越发重要。

在已有研究中，大多数是关于拱在静力荷载下稳定问题的研究。

拱结构具有将抵抗横向荷载转化为抵抗截面轴向压力的特性，因此，其在全跨均布荷载作用下具有良好的受力性能和较高的稳定承载力，又因为拱中的受力以压力和弯矩为主，对格构拱稳定承载力的研究具有很大意义。

但是对于拱的稳定性问题分析起来难度较大，这是由于拱的参数比较多，影响到稳定性问题的因素也比较多，非线性比较强。

对于拱结构稳定性进行研究时，问题包括平面内稳定和平面外稳定，其中由于可以通过设置面外支撑解决平面外稳定问题，设计的控制因素通常为面内问题。

因此目前的研究更侧重于对钢拱结构平面内稳定性的研究。

在研究构件的稳定问题时，我们通常采用解析方法和数值方法，这两种方法同样适用于对拱结构稳定问题的研究。

钢拱结构稳定问题的研究主要包含两个方向：

一是重新探索各种解法，二是利用已有方法，揭示钢拱结构在不同平衡路径下的稳定性，同时得到相应的极限承载力和变形规律。

格构拱继承了拱结构失稳问题的特性，有机结合了桁架和拱。

但是相较于实腹式拱，对格构拱失稳问题进行分析时需要考虑弦杆和腹杆的局部稳定对其整体稳定性能所具有的影响。

同时，与实腹式拱相比，影响格构拱稳定性能的参数更多，如弦杆和腹杆的截面尺寸、桁架节间尺寸等，且目前国内外对于格构拱结构稳定性能的研究较少。

又近年来，由于空心管截面所具有的独特优点，越来越得到设计师们的青睐。

由方钢管做弦杆,方钢管、圆钢管做腹杆的截面三角形的空间格构式拱结构，已在建筑中得到应用，如南京国际展览中心屋盖就采用了截面为倒放三角形的空间格构式拱结构[2]。

截面为正放三角形的空间格构式拱结构,具有受力合理、空间刚度大、节点处理简捷等诸多优点。

特别之处在于,该体系的檩条可沿纵向悬挂在下弦之间,使屋面位于下弦处,既减小了檩条跨度,又节约了建筑空间,并具有良好的采光效果,是一种很有推广前景的结构体系[3]。

因此，有必要对钢管格构拱的冲击力学行为进行研究。

本课题主要采用数值模拟和试验的方法。

并结合理论分析对冲击作用下格构式钢拱的弹塑性稳定性能进行研究。

1.2国内外研究现状

1.2.1静力稳定性研究

钢拱平面内稳定性理论研究大致经历了三个阶段[4]：

第一阶段是以平衡分岔屈曲为主的弹性屈曲经典理论，重点研究静水压力作用下圆弧拱、全跨竖向均布荷载作用下抛物线拱及沿弧长均匀分布竖向荷载作用下悬链线拱三种纯压拱平衡分岔屈曲的荷载及相应的屈曲模态。

第二阶段在弹性屈曲经典理论的基础上考虑了几何非线性对拱平面内稳定的不利影响，即考虑了所谓P-Δ效应，该理论称为二阶弹性理论。

第三阶段同时考虑了几何非线性和材料非线性的影响，被称为弹塑性稳定理论。

它能够考虑几何初始缺陷、残余应力的影响并跟踪钢拱面内失稳的荷载位移平衡全过程路径，并最终获得更为准确的稳定承载力。

对于实腹式钢拱，林冰,郭彦林[5,6,7]采用大挠度弹塑性有限单元法对均匀受压两铰圆弧钢拱的平面内稳定性、均匀受压等截面三铰圆弧钢拱的平面内稳定性和极限强度、全跨竖向均布荷载作用下纯压抛物线拱平面内稳定承载力进行研究,考虑了材料非线性、残余应力、初始几何缺陷和矢跨比的影响,得到了热轧圆管截面、焊接工字形截面和焊接箱形截面三铰、两铰和无铰抛物线钢拱在不同工况下的平面内稳定设计曲线，并与国内外钢结构设计规范的设计曲线进行了对比；得出了建议的稳定设计曲线可用于均匀受压两铰圆弧钢拱的平面内稳定性设计，轴心受压构件的稳定曲线不能直接用于拱的稳定性设计，并以拱的正则化长细比为基本参数,统一了三铰、两铰和无铰纯压抛物线钢拱的平面内稳定设计曲线,可用于全跨竖向均布荷载作用下纯压抛物线钢拱的平面内稳定性设计,同时可供实际设计时使用和制定有关规程时参考。

格构拱是一种综合了拱与桁架结构优点的结构体系，广泛地应用于大跨度空间结构中。

格构拱形式有平面和立体之分，应为立体结构具有较大的面外刚度，目前大多数的研究都针对立体形式下的。

郭彦林，郭宇飞，窦超[8]对两铰圆弧形钢管桁架拱的弹性及弹塑性失稳机理及承载性能进行了深入研究，考虑了全跨和半跨水平均布荷载、跨中及1/4跨集中荷载等多种类型的荷载效应。

分析了钢管桁架拱在不同荷载作用下的失稳破坏机理，指出其会发生整体失稳、弦杆局部失稳、腹杆局部失稳以及局部与整体的相关失稳等多种破坏模式。

考察了矢跨比、腹杆尺寸、腹杆夹角和截面宽高比等不同参数对钢管桁架拱稳定承载力的影响，为桁架拱稳定设计方法的建立奠定了重要基础。

文献[8]～[13]运用ANSYS软件进行了一些钢桁架拱的稳定性分析。

剧锦三，郭彦林[14]应用非线性有限元方法研究了索-拱结构的平面内稳定问题。

通过对索-拱杂交结构的非线性稳定分析获得，索可以非常有效地控制拱结构的失稳和破坏模式，提高其极限承载能力，并影响破坏过程及后屈曲平衡路线。

国外也有许多学者做了相关研究,Deutsch、Harries、Kuranishi和Lu,chnag和Harrison研究了在非对称荷载作用下的抛物线拱的弹性承载力[15,16]。

Qqaihs和Haddadin[17]建立了受拱顶集中荷载的变截面弹性圆弧拱的屈曲方程,讨论了不同矢跨比和不同截面形式的拱的越跃屈曲荷载。

Kang和Yoo[18,19]用能量法推导了薄壁截面圆拱的屈曲方程,并给出了解析解。

Kim、Min和Suh[20]运用虚功原理推导了薄壁非对称截面圆拱的屈曲方程,考虑了初始应力和Wagner效应,并给出了闭合解。

Pi、Bradford和Uy[21]用能量法建立了非线性平衡方程和屈曲方程来考虑受径向均布荷载的任意截面圆弧拱的面内稳定问题,指出经典屈曲理论高估了扁拱的对称跃越屈曲荷载和反对称分岔屈曲荷载,并建议了非扁拱的面内分岔屈曲荷载的计算公式。

近年来,由于解析方法的局限性和数值方法的迅猛发展,许多学者把精力放在了用有限元来进行拱的非线性屈曲问题研究。

Patodi和Jethmalani[22]用几何非线性有限元跟踪了跨中受集中荷载的正弦扁拱的屈曲后性能,并用一种修正位移增量算法来加快收敛。

PiYong-Lin等[23,24]运用非线性弹塑性有限单元模型研究了焊接工字形截面两铰、无铰圆弧拱平面内稳定性设计方法。

目前的一些理论研究都选取了圆弧拱进行研究，这是因为圆弧是最简单的拱轴线形式。

程鹏[25]对两铰圆弧拱进行了非线性稳定性的理论分析，解出了圆弧拱在均布径向力、全跨自重荷载、全跨均布荷载、跨中集中力作用下的线性精确解，并给出了一定情况下的非线性屈曲的临界荷载公式。

张耀春，张秀华[26]对空间格构式圆拱进行稳定性计算，利用ANSYS有限元程序对格构式拱在满跨均布荷载作用下进行了几何非线性分析,并从结构的荷载-位移全过程曲线考察该结构平面内稳定问题的基本规律。

通过对大量数据进行回归分析,得出格构式圆拱平面内整体稳定临界荷载拟合公式,供设计参考。

由于非线性方程非常复杂不能解出精确解，必须进行非线性数值分析，这就需要借助于有限元软件或者根据现有理论编制相应的有限元分析程序。

而且现有的研究也多是基于有限元软件的分析。

1.2.2动力稳定性研究

对于钢拱动力稳定性方面的研究，近年来开展的较少。

仅有的一些研究也主要借助有限元软件来实现。

理论方面，大多数学者集中在对弹性圆弧扁拱的研究上[27]。

Bolotin[28]给出了周期荷载激励下双铰圆拱的动力稳定区域的解析解；Humphreys[29]用Galerkin法求解阶跃荷载作用下拱的运动方程，认为非对称模态对失稳值有较大影响；Hoff和Bruce[30]发现阶跃荷载作用下临界条件与总势能面的特性有关；Hsu[31]的研究表明，对于两铰圆拱来说，高于第二阶模态的高阶模态不会对临界值有影响；Gregory和Plaut[32]指出：

对于大多数对称分布的阶跃荷载，其动力稳定临界值将高于相应的静力稳定临界值。

文献[33]则着重分析了高拱的动力稳定性，认为中心角的大小、边界条件及初始几何缺陷幅值对圆拱失稳模态有影响。

韩庆华[34-36]依据已有的B-R动力失稳判定准则和评定网壳结构动力强度破坏行为的方法，研究大跨度格构式拱型刚架结构在强震作用下进入塑性杆件数目及比例，以及结构最大位移的变化规律。

另外，将悬挑立体桁架根据刚度等效原则进行简化，得出该结构在平面外稳定临界荷载的近似解析解，并将其与简化模型的强度临界荷载进行对比，以获得悬挑立体桁架极限荷载由强度控制而不发生平面外失稳的条件，同时分析影响结构平面外稳定的因素。

李海旺[37,38]利用ABAQUS有限元软件，考虑钢材损伤累积和失效对钢管拱桁架在强震作用下的动力响应及破坏形式进行分析。

分析考虑损伤和不考虑损伤的钢管拱桁架结构在强震下的破坏峰值加速度、最大节点位移和破坏位置的不同。

同时考虑行波效应，研究单榀钢管拱桁架结构的非线性地震反应。

高标[39]采用ANSYS有限元分析软件对悬挑拱型立体桁架结构地震作用下稳定性能进行分析。

考虑几何及材料非线性，分析了悬跨比、节点形式及几何参数对三角形立体管桁架结构抗震性能的影响。

1.2.3试验研究

关于拱的稳定性试验比较少，上世纪30年代前后前苏联、波兰等国的学者都做过一些试验，但由于二战爆发而没有最终完成。

我国学者杨桂通[40]早在上世纪90年代就为求解结构在冲击载荷作用下大变形响应进行实验研究，以不同速度运行的物体垂直冲击圆拱、刚架和旋转扁壳，记录由此引起的冲击点位移、速度曲线以及某些关键点的动态应变历史，从而为寻找规律、建立模型提供资料。

郭彦林,林冰,郭宇飞[41]进行了钢拱平面内整体稳定承载力的试验研究，进行了全跨竖向均布荷载和半跨竖向均布荷载作用下焊接工字形截面两铰抛物线钢拱平面内稳定承载力试验研究。

通过试验揭示了抛物线钢拱平面内的失稳破坏机理，全跨竖向均布荷载作用下抛物线钢拱发生不完全反对称的平面内失稳破坏，半跨竖向均布荷载作用下抛物线钢拱发生反对称的平面内失稳破坏；半跨竖向均布荷载作用下抛物线钢拱的稳定承载能力低于全跨竖向均布荷载作用下的稳定承载能力;试验结果与有限元法分析结果进行了对比，二者吻合良好，有限元法研究钢拱的平面内稳定具有很高的精度；试验结果验证了工字形截面抛物线钢拱平面内稳定性设计方法安全可靠，可供设计使用。

陈宝春等进行过两根钢管混凝土单圆管肋拱面内全过程试验[42]。

试验结果表明，钢管混凝土肋拱具有较好的弹塑性性能和较高的承载能力，分析了模型肋拱面内受力全过程的性能，并初步探讨了其面内极限承载力的简化计算方法。

试验[43]共对18根钢管混凝土偏心受压短柱进行了测试。

试验参数包括偏心率和截面参数（含钢率和混凝土强度）。

介绍了试件的内容、试验装置与方法,并重点进行了偏心率对钢管混凝土偏压构件受力性能影响的分析。

分析结果表明，偏心率大，相同的纵向应变所对应的钢管环向应变小，紧箍力对提高混凝土强度的作用也随之削弱，构件的承载力也明显降低，达到极限承载力时钢管受压边缘的应变值也相应要大。

但偏心率对构件的延性系数影响不大。

综上所述，可见国内外学者对于拱的稳定性能的研究多是静力荷载下的，而对与格构拱的动力稳定课题也多是对在地震作用下的拱动力响应的研究，而在格构拱的受冲击荷载稳定研究方面还涉及较少。

1.3研究内容和方法

通过研究希望得到：

（1）格构式拱受冲击荷载时动力屈曲运动的有效有限元模拟方法；

（2）模拟不同参数（冲击速度、刚体质量、矢跨比、跨度等）下格构拱的动力响应，研究不同参数时动力屈曲的变化规律

（3）参照数值模拟建立试验，试验结果和数值结果进行对比，分析差别与优缺点，研究格构式钢构的受力性能。

本文拟采用的研究方法为：

（1）本课题拟采用通用有限元软件ANSYS以及ABAQUS作为主要的分析软件，拟通过ANSYS软件建立参数化模型，使用具有强大非线性求解能力的有限元软件ABAQUS中的EXPLICIT模块来解决高度非线性的动力接触问题，从而获得拱受冲击荷载时瞬时响应的数值解。

（2）通过对比前人试验，参照数值模型，设立试验研究各参数对格构拱受冲击稳定性能的影响，并与有限元模拟结果的对比，验证数值模拟模型的可行性与适用性，分析格构式钢构的受冲击破坏形式。

第二章格构拱的弹塑性冲击响应

2.1ABAQUS软件概述

2.1.1ABAQUS软件动力学算法

ABAQUS是一套具有强大功能的有限元数值模拟分析软件，可以解决相对简单的线性问题以及很多复杂的非线性问题。

ABAQUS具有一个非常丰富的单元库，可以模拟任意的几何形状。

另外，ABAQUS还拥有一个包含各种类型材料的材料模型库，可以模拟典型工程中材料的性能，其中包括金属、钢筋混凝土、复合材料和岩石等。

ABAQUS作为通用的模拟软件，除了能模拟大量结构问题，还可以模拟工程领域中的其他许多问题，例如热电耦合分析、热传导及岩土力学分析等。

ABAQUS主要由部件、特性、装配、分析步、相互作用、载荷、网格、作业、可视化和草图十个功能模块组成。

对于高度非线性问题，用户只需要提供相关的工程数据，如结构的几何信息、材料性质、边界条件及荷载情况。

ABAQUS在非线性分析中能自动地选择收敛限度和载荷增量，并能连续的调节参数以保证在分析计算过程中得到精确解。

另外，用户可以通过定义准确的参数以实现很好的控制数值模拟结果。

ABAQUS拥有一个图形用户界面ABAQUS/CAE，即人机交互前后处理模块，还有两个主求解器模块:

ABAQUS/Standard和A