專利名稱：?jiǎn)螌泳W(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力破壞成因判斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，尤其涉及單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力破壞 成因判斷方法。
背景技術(shù)：
單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是由大量桿件按照一定幾何規(guī)律構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)，動(dòng)力荷載作用下 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)反復(fù)經(jīng)歷加載_卸載過(guò)程，導(dǎo)致桿件可能反復(fù)經(jīng)歷失穩(wěn)_拉直、塑性鉸形成_消 失過(guò)程，桿件力學(xué)性能處于動(dòng)態(tài)變化中，造成結(jié)構(gòu)的承載力亦處于動(dòng)態(tài)變化中，因此要得到 單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)動(dòng)力響應(yīng)必須建立能夠模擬桿件實(shí)時(shí)力學(xué)性能的桿件計(jì)算模型。 目前許多學(xué)者采用通用有限元程序建立結(jié)構(gòu)模型，對(duì)單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行研 究。文獻(xiàn)1(范峰，錢宏亮，邢佶慧等.強(qiáng)震作用下球面網(wǎng)殼動(dòng)力強(qiáng)度破壞研究[J].哈爾濱 工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，36 (6) :722-725.)研究單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力強(qiáng)度破壞，文獻(xiàn)2(沈 世釗，支旭東.球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下的失效機(jī)理[J]. 土木工程學(xué)報(bào)，2005，38(1) 11-20) 提出單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的兩種動(dòng)力失效模式，文獻(xiàn)3 (王曉可，范峰，支旭東等.單層柱面網(wǎng) 殼在強(qiáng)震下的破壞機(jī)理研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào)，2006，39 (11) 26-32)研究單層柱面網(wǎng)殼 結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理，文獻(xiàn)4 (支旭東，吳金妹，范峰等.考慮材料損傷累積單層柱面網(wǎng)殼在強(qiáng)震 下的失效研究[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2008，25 (6) 770-775)通過(guò)參數(shù)化計(jì)算研究材料損傷對(duì) 單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)動(dòng)力破壞的影響。對(duì)單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)全過(guò)程進(jìn)行精細(xì)化模擬時(shí)， 采用通用有限元軟件中的梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬桿件時(shí)存在兩個(gè)問題(1)單元?jiǎng)偠染仃嚨臏?zhǔn)確性 問題。通用有限元軟件采用Gauss積分點(diǎn)處的材料本構(gòu)關(guān)系計(jì)算單元?jiǎng)偠染仃?，桿件若處 于彈性狀態(tài)，可得到準(zhǔn)確的桿件單元?jiǎng)偠染仃?。單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件一般端部截面首先進(jìn)入 塑性，通用有限元軟件單元的Gauss積分點(diǎn)均不在單元端部，此時(shí)計(jì)算得到的仍是彈性單 元?jiǎng)偠染仃嚕敝涟磸椥詣偠染仃囉?jì)算出Gauss積分點(diǎn)處產(chǎn)生塑性變形時(shí)方利用積分點(diǎn)處 的塑性本構(gòu)關(guān)系計(jì)算單元?jiǎng)偠染仃?。桿件塑性區(qū)不同點(diǎn)由于加載歷史不同其材料塑性本構(gòu) 關(guān)系不同，而桿件很長(zhǎng)部分仍處于彈性，仍采用Gauss積分點(diǎn)處的塑性本構(gòu)關(guān)系計(jì)算單元 剛度矩陣亦不合理。(2)桿件失穩(wěn)現(xiàn)象的模擬問題。若一根桿件采用一個(gè)梁?jiǎn)卧M，則無(wú) 法模擬桿件失穩(wěn)現(xiàn)象，桿件承載力的降低完全由材料屈服造成，桿件可承受遠(yuǎn)超過(guò)失穩(wěn)臨 界荷載的作用力，導(dǎo)致可以計(jì)算出非常大的塑性應(yīng)變，得到的結(jié)構(gòu)承載力遠(yuǎn)大于實(shí)際情況。 若采用多個(gè)梁?jiǎn)卧M一根桿件則無(wú)法準(zhǔn)確模擬桿件失穩(wěn)后的力學(xué)性能，也不能模擬可能 出現(xiàn)在桿端與桿件中部截面的塑性鉸，一根桿件劃分多少個(gè)梁?jiǎn)卧侥茌^準(zhǔn)確地模擬桿件 失穩(wěn)現(xiàn)象亦難以確定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的不足，提供一種能夠模擬地震作用下桿件可能 反復(fù)經(jīng)歷的失穩(wěn)_拉直與塑性鉸形成_消失過(guò)程，準(zhǔn)確確定桿件與結(jié)構(gòu)承載力動(dòng)態(tài)變化過(guò) 程的單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力破壞成因判斷方法。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力破壞成因判斷方法，它包括以下步驟(1)完成增量步平衡迭代；求解過(guò)程如下步驟101 采用Newmark時(shí)間積分法求解結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力平衡方程組，每次迭代得 到桿端的位移增量Au ；步驟102 設(shè)桿件兩端編號(hào)為I、J，I端平衡方程為
權(quán)利要求
1.單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力破壞成因判斷方法，其特征在于它包括以下步驟(1)完成增量步平衡迭代； 求解過(guò)程如下步驟101 采用Newmark時(shí)間積分法求解結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力平衡方程組，每次迭代得到桿 端的位移增量Au;步驟102 設(shè)桿件兩端編號(hào)為I、J，I端平衡方程為2 6 、 ^iJ ViJJ t^jJ,J=I j=\式中，F(xiàn)il為I端截面力分量；夂“為單元彈性剛度矩陣中的分塊矩陣，計(jì)算桿件彈性剛 度矩陣時(shí)桿件的橫向位移采用4次多項(xiàng)式插值函數(shù)表示，轉(zhuǎn)動(dòng)位移為橫向位移插值函數(shù)對(duì) 長(zhǎng)度坐標(biāo)的導(dǎo)函數(shù)，軸向位移采用2次多項(xiàng)式插值函數(shù)表示，扭轉(zhuǎn)位移采用線性插值函數(shù) 表示；為由步驟101中的位移增量累加得到的J端節(jié)點(diǎn)位移分量，為前一個(gè)迭代結(jié)束 時(shí)J端節(jié)點(diǎn)的塑性位移分量；步驟103 計(jì)算I端的屈服面函數(shù)O1為Φ=f ^-^f + f Mx1^mx1)2 + f Myl~aMy^ + (MzI-gMzl)2 “Myuν NxiL xl ^MxI V M,u JMjL^aMziKu y一 1式中，Nxu為桿件僅受軸力作用時(shí)任意截面全截面屈服時(shí)的軸力值;Mxu為桿件僅受扭矩 作用時(shí)任意截面全截面屈服時(shí)的扭矩值；Myu為桿件僅受繞y軸的彎矩作用時(shí)任意截面全截 面屈服時(shí)的彎矩值；Mzu為桿件僅受繞ζ軸的彎矩作用時(shí)任意截面全截面屈服時(shí)的彎矩值； Nxl為軸力；MyI、Mzl分別為I端截面繞2個(gè)主軸的彎矩；Mxl為I端截面的扭矩；α ΝχΙ、α Μ、 aMyI、αΜζΙ為背應(yīng)力分量，O1S O表示I端全截面屈服，形成塑性鉸；步驟104 計(jì)算當(dāng)前迭代步的桿端塑性位移增量Auf=AA1^L1 SS1式中，Δ X1為比例系數(shù)^ = F1-Ci Ci1為I端截面背應(yīng)力向量；F1為I端桿端力向量；步驟105 檢查結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力平衡方程組迭代是否收斂，如果收斂，則本時(shí)間增量步 計(jì)算完成；如果迭代不收斂，則將時(shí)間增量步減小一半重復(fù)進(jìn)行步驟101-105 ；(2)將每一個(gè)時(shí)間增量步結(jié)束時(shí)由步驟102得到的桿件桿端力代入ISO圓鋼管的失穩(wěn) 判別方程，以判斷結(jié)構(gòu)桿件是否發(fā)生失穩(wěn)；(3)如果判斷結(jié)構(gòu)桿件沒有發(fā)生失穩(wěn)，則繼續(xù)按照步驟1的方法模擬該桿件計(jì)算桿件 的兩端受力，如果判斷結(jié)構(gòu)桿件發(fā)生了失穩(wěn)，則按照Marshall模型模擬該桿件；(4)對(duì)桿件失穩(wěn)類型進(jìn)行判斷若滿足圓鋼管的失穩(wěn)判別方程時(shí)桿端屈服面方程 Φ ^ 0，則桿件為第一種失穩(wěn)類型，所述的第一種失穩(wěn)類型為桿端截面產(chǎn)生塑性區(qū)或形成 塑性鉸后桿件長(zhǎng)細(xì)比變大導(dǎo)致桿件失穩(wěn)；若滿足圓鋼管的失穩(wěn)判別方程時(shí)桿端屈服面方程 Φ < 0，則桿件為第二種失穩(wěn)類型，所述的第二種失穩(wěn)類型為桿端截面尚未產(chǎn)生塑性區(qū)或 形成塑性鉸，桿件因承受較大軸力作用達(dá)到失穩(wěn)臨界條件而發(fā)生失穩(wěn)；(5)當(dāng)步驟(1)中的結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力平衡方程組經(jīng)過(guò)15次迭代仍不收斂時(shí)，則判定結(jié) 構(gòu)的動(dòng)態(tài)承載力與地震作用不能維持平衡而發(fā)生動(dòng)力破壞，對(duì)單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在地震作用下 的動(dòng)力破壞成因進(jìn)行判斷若破壞時(shí)結(jié)構(gòu)中失穩(wěn)桿件的類型為第一種，則單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的 動(dòng)力破壞由桿端塑性鉸集中出現(xiàn)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部變?yōu)闄C(jī)構(gòu)引起；若破壞時(shí)結(jié)構(gòu)中失穩(wěn)桿件的 類型為第二種，則單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力破壞由桿件失穩(wěn)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)承載力下降引起；若破 壞時(shí)兩種失穩(wěn)類型的桿件在結(jié)構(gòu)中都存在，則單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力破壞由失穩(wěn)桿件引起結(jié) 構(gòu)承載力降低與桿端塑性鉸使結(jié)構(gòu)局部形成機(jī)構(gòu)共同引起。
全文摘要
本發(fā)明公開單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力破壞成因判斷方法，它包括以下步驟(1)完成增量步平衡迭代；(2)將每一個(gè)時(shí)間增量步結(jié)束時(shí)得到的桿件桿端力代入ISO圓鋼管的失穩(wěn)判別方程，以判斷結(jié)構(gòu)桿件是否發(fā)生失穩(wěn)；(3)如果判斷結(jié)構(gòu)桿件沒有發(fā)生失穩(wěn)，繼續(xù)按照步驟1的方法模擬該桿件計(jì)算桿件的兩端受力，如果判斷結(jié)構(gòu)桿件發(fā)生了失穩(wěn)，按照Marshall模型模擬該桿件；(4)對(duì)桿件失穩(wěn)類型進(jìn)行判斷；(5)當(dāng)步驟(1)中的結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力平衡方程組經(jīng)過(guò)15次迭代仍不收斂時(shí)，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)承載力與地震作用不能維持平衡而發(fā)生動(dòng)力破壞。采用本方法能夠模擬地震作用下桿件可能反復(fù)經(jīng)歷的失穩(wěn)-拉直與塑性鉸形成-消失過(guò)程。
文檔編號(hào)E04B1/32GK102127932SQ20111002242
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2011年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月19日
發(fā)明者丁陽(yáng), 李忠獻(xiàn), 齊麟 申請(qǐng)人:天津大學(xué)