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1、 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Study on Elastic-plastic Bucking of Steel Lattice ArchAffected by Impact: Simulationand Experiment75 / 81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
2、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
3、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AbstractThis paper firstly used ABAQUS/Explicit to simulate the process of elastic-plastic steel lattice arch transversely impacted byrigidbody,and the impact response effected by various factors was studied.The main conclusions are as follow
4、s: when the velocity of rigid body is increasing, the depth embedded by rigid body in steel tube of the lattice arch vault changes larger, the impact load peak value changes greater, the contact time presents an significant increase; with the increase of mass ratio, namely the quality of the rigid b
5、lock is smaller, the depth embedded by rigid body in steel tube of the lattice arch vault and the impact load peak valuechange smaller, the contact time changes shorter; with the increase of rise-to-span ratio, the impact load peak valueand the contact time have decreased, the depth embedded by rigi
6、d body changes greater; with the increase of lattice arch span, the impact load peak value, the contact time and the depth embedded by rigid body all have decreased; with the increase of lattice arch wall thickness, the contact time and the depth embedded by rigid body have decreased,the impact load
7、 peak valuechanges greater. And the paper analyzed the conclusionsin consideration of the plastic deformation and the plastic dissipation energy.Through analyzing theprocess of elastic-plastic lattice arch impacted by the rigid body, the paper proposed the dynamic buckling judgment criterion based o
8、n the overall deformation and the internal energy. According to the judgment criterion, the main conclusions are as follows: when the velocity of rigid body or the quality of the rigid block has increased, the buckling time changes shorter; with the increase of the quality of rigid block, the critic
9、al velocity changes smaller, and while the quality of rigid block is quite great, the critical velocity changes little.In the experimental part,strain electrical measurement technology was used to measure the dynamic responses of steel lattice arches under impact. There are two forms of structure co
10、llapse when the steel lattice arches are impacted by drop hammer machine,respectively: (1) the steel lattice arch supports damage; (2) damaged by the elastic-plastic large deformation. In two forms the structure are global instability,which happened out of plane.Key words: steel lattice arch，impact
11、load，contact time，dynamic buckling，experimental research目 录第一章绪论11.1选题的背景与意义11.2 国外研究现状21.3 研究容和方法5第二章格构拱的弹塑性冲击响应62.1 ABAQUS软件概述62.2 模型的建立82.3 各种因素对弹塑性格构拱冲击响应的影响102.4 本章小结19第三章格构拱的弹塑性动力屈曲213.1 有限元模型的建立213.2 动力屈曲过程分析和动力屈曲判断准则223.3 各种因素对弹塑性格构拱动力屈曲的影响273.4 本章小结30第四章格构拱冲击试验方案设计314.1 试验设备介绍314.2 试件设计与加工3
12、34.3 材性试验354.4 冲击试验步骤374.5 有限元数值模拟384.6 本章小结39第五章格构拱冲击试验结果分析405.1 小波理论与MATLAB基础405.2 信号去噪415.3 应变时程分析435.4 破坏形态与屈曲形状分析525.5 本章小结59第六章结论与展望616.1 结论616.2 展望62参考文献63致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
13、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
14、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
15、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问题。因此目前的研究更侧重于对钢拱结构平面稳定性的研究。 在研究构件的稳定问题时，我们通常采用解析方法
16、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
