基于冗余度与易损性的结构抗震能力提升方法研究

为提升结构整体性能和抗震性能,基于结构构件应变能对材料弹性模量的敏感性及其失效后结构的应变能变化量,建立了结构易损性与冗余度评价指标,以衡量在地震作用下构件发生破坏的容易程度及其失效后对结构整体性能的影响.考虑地震作用下结构构件冗余度及易损性差异,通过加强低冗余-高易损构件,同时削弱高冗余-低易损构件,合理调整各类构件截面面积.结果 表明,构件的冗余度和易损性可以准确反映地震作用下结构构件的重要性及发生破坏的容易程度,考虑构件冗余度及易损性差异,调整结构构件面积,可有效提升结构的整体性能及抗震性能.     

地震作用下基于响应敏感性的单层球面网壳冗余度分析方法研究

冗余特性是结构鲁棒性的重要组成部分,也是损伤情况下结构安全性的体现。在地震等动力荷载作用下单层球面网壳结构的倒塌模式由诸多因素决定,其中结构的冗余度是重要的影响因素。为合理评估地震作用下的结构冗余度,本文基于结构响应对单元材料弹性模量的敏感性提出地震作用下的结构构件冗余度评价方法,并对一星型网壳在地震作用下的弹性、弹塑性冗余度进行分析,以验证方法的有效性。结果表明,结构冗余度能够反映构件在结构中的重要性,冗余度值的大小是构件重要性的衡量指标,低冗余度构件是结构的关键构件。利用结构的冗余度分布,可以采取加强低冗余构件的措施,从而实现网壳结构倒塌模式的优化控制。     

基于应变响应敏感性的单层球面网壳冗余度分析

冗余特性是结构鲁棒性的重要组成部分,也是复杂系统的安全性和传力路径可靠性的体现。如何对结构构件冗余度进行定量评价是目前结构工程界尚未定论的问题之一。本文借鉴P.C.Pandey方法,并将其推广应用到大跨空间网格结构,基于结构应变响应对构件单元截面面积的敏感性提出静力作用下的结构构件冗余度评价方法,从理论上以数值方式量化结构构件冗余度,并通过对三个球壳结构算例的冗余度分析说明该方法在空间结构体系中的有效应用。算例结果表明,结构构件冗余度能够反映构件在结构中的重要性,低冗余度构件是结构的关键构件。采取措施加固低冗余度构件可以有效提高结构整体刚度、结构稳定极限承载力,但在改善结构缺陷敏感性方面则视具体情况而定。     

考虑内力分项贡献度的框架构件重要性评价

提出了一种水平和竖向荷载共同作用下的框架结构构件重要性评价方法。首先,基于线弹性材料假设,利用应变能方程和节点-外荷载关系计算梁柱构件的轴力、剪力和弯矩;然后,定义构件内力分项计算值与抗力分项值之比为构件分项重要性系数,用于体现构件抗力利用水平;再组合各内力分项系数,针对不同外荷载形式定义构件综合重要性系数,用于体现构件对框架体系整体承载力的贡献;最后,通过两榀框架算例验证了方法的可行性,可为框架的结构优化设计和连续性倒塌分析提供定量依据。     

基于β-二项分布的结构易损性分析

易损性曲线建立过程中受激励不确定性和结构参数不确定性的影响,会引起结构或构件观测结果的统计相关性。为此,本文提出基于β-二项分布的结构易损性分析方法。该方法根据性能量化指标阈值和Monte Carlo模拟确定震后观测结果,采用β-二项分布探讨震后观测值的统计相关性;结合对数回归模型,推导了改进β-二项分布的累积分布函数,计算结构失效概率;通过累积对数正态分布拟合易损性曲线,比较了观测失效样本数与观测失效概率统计相关性对易损性的影响,并与未考虑统计相关性的传统易损性曲线作对比。某8层钢筋混凝土框架-剪力墙结构的算例表明,考虑统计相关性的易损性较传统易损性偏大,且结构遭受8度以上地震作用时,考虑失效样本数统计相关性的易损性使预测结果更为保守,利于工程安全。     

全局性能水准与构件局部损伤状态

传统的最大层间位移作为一个全局性的性能指标,超出给定的性能极限状态阈值就不能映射构件局部损伤状态。本文基于能量平衡原理,将塑性能量耗散和塑性铰的等效能相比得到累积塑性应变,将累积塑性应变这一反映局部损伤状态的损伤指标作为工程需求参数,假定一系列累积塑性应变阈值建立局部构件的易损性曲线族。以传统的最大层间位移作为反映全局性能水准的工程需求参数,建立结构全局性能极限状态下的易损性曲线。对比全局和局部易损性曲线,发现全局性能水准和局部构件损伤状态之间存在良好的相关性,通过易损性曲线的吻合程度可获得给定全局性能水准相对应的累积塑性应变阈值。进而也建立起全局性能指标与局部损伤状态的映射关系。基于累积塑性应变的机构易损性分析是一种更精确的易损性分析方法。     

全局性能水准与构件局部损伤状态相关性研究

传统的最大层间位移作为一个全局性的性能指标,超出给定的性能极限状态阈值就不能映射构件局部损伤状态。本文基于能量平衡原理,将塑性能量耗散和塑性铰的等效能相比得到累积塑性应变,将累积塑性应变这一反映局部损伤状态的损伤指标作为工程需求参数,假定一系列累积塑性应变阈值建立局部构件的易损性曲线族。以传统的最大层间位移作为反映全局性能水准的工程需求参数,建立结构全局性能极限状态下的易损性曲线。对比全局和局部易损性曲线,发现全局性能水准和局部构件损伤状态之间存在良好的相关性,通过易损性曲线的吻合程度可获得给定全局性能水准相对应的累积塑性应变阈值。进而也建立起全局性能指标与局部损伤状态的映射关系。基于累积塑性应变的机构易损性分析是一种更精确的易损性分析方法。     

近断层地震作用下钢筋混凝土连续梁桥地震易损性分析

考虑桥墩、支座构件及主梁的碰撞损伤指标,对钢筋混凝土连续梁桥进行了地震易损性分析.综合考虑了结构参数的不确定性,从太平洋地震工程研究(Pacific earthquake engineering research,PEER)数据库中随机选取了20条近场地震记录,得到大量的随机地震-结构样本.结合不同破坏状态下的桥梁损伤指标,根据结构的能力与需求得到了桥梁各构件及整体桥梁结构的地震易损性曲线.从概率意义上判断在强烈地震作用下桥梁结构所处的破坏状态,为今后在役的同类型桥梁震害预测提供了参考.     

基于显示连通贝叶斯网络的机场塔台地震易损性分析

将基于性能的多维易损性分析方法,结合显示连通贝叶斯网络,应用于机场塔台的多维易损性分析。考虑地震激励的不确定性,通过非线性时程分析获得结构响应数据;将塔台结构分为三个层次,每个层次按包含的层数分为相应的子层次。根据功能特性确定子层次的评价指标和极限状态,建立服从多元对数正态分布的概率地震需求模型;考虑各种极限状态之间的相关性,建立极限状态方程,确定失效域,通过蒙特卡洛法求得构件的超越概率;建立塔台结构的显示连通贝叶斯网络模型,利用层次分析法获得中间节点的条件概率表,利用MATLAB进行贝叶斯网络的推理计算,实现从单一层次的易损性到整体易损性的推理。     

考虑竖向地震作用效应的地下典型空间结构易损性性能指标探讨

为探究考虑竖向地震作用效应的地下空间结构易损性性能指标,本文基于地下结构抗震分析与设计的Pushover分析方法,以六个典型地下空间结构为背景,利用ABAQUS软件建立带有附加自由场的土-地下空间结构相互作用分析模型进行Pushover分析,研究了不同类型场地及地下空间结构埋深对地下空间结构中的柱构件能力曲线的影响;采用弯矩-转角四折线模型来量化指标限值,将Pushover分析所得结果经数学统计分析,以保证率为98%的屈服转角、峰值荷载转角以及极限转角限值作为特征点,得到了适用于水平地震作用下的性能指标限值.然后,基于冲量原理分析了不同竖向地震动加速度对柱构件动力响应的影响,由拟合所得的屈服转角、峰值荷载转角以及极限转角与轴压比的关系,求得了考虑竖向地震作用效应的特征点限值折减系数,给出了考虑竖向地震作用效应的地下空间结构易损性性能指标限值.研究结果表明:地下空间结构埋深对其柱构件的能力曲线影响较大;与仅考虑水平向地震作用的结果相比较,本文算例中考虑竖向地震作用效应的特征点的平均折减系数可分别取屈服转角为0.89、峰值荷载转角为0.85、极限转角为0.80.     

ORIGIN OF HEAT EFFECTS AND SHEAR MODULUS CHANGES OF A Cu-BASED AMORPHOUS ALLOY 1)

剪切模量在非晶合金黏性流动、扩散及结构弛豫等行为中起着重要作用. 宏观剪切弹性决定非晶合金热流变化.探索非晶合金在结构弛豫和玻璃转变过程中宏观力学性能与热流的关联有助于理解其力学行为起源. 本研究基于自间隙理论对Cu$_{49}$Hf$_{42}$Al$_{9}$非晶合金热流、剪切模量及黏度进行研究,建立剪切模量与热流之间的关联. 通过测量剪切模量精确测定自间隙缺陷浓度演化规律.从能量角度出发,通过激活能图谱探索自间隙缺陷浓度对非晶合金热力学性能的影响. 借助于动态力学分析仪研究非晶合金从室温到过冷液相区的动态弛豫行为,探索物理时效引起的结构弛豫以及内耗演化规律. 研究结果表明,自间隙理论可准确描述非晶合金的弛豫动力学、剪切软化及结构弛豫诱导的力学行为. 结合热流数据可以很好描述铸态和弛豫态非晶合金剪切模量随温度演化过程,激活能图谱直观表述了单位激活能可激活的自间隙缺陷浓度. 自间隙缺陷在结构弛豫中湮灭,表现为玻璃体系结构向更稳定状态迁移.在玻璃化转变过程中,缺陷浓度显著升高伴随热吸收,表现为原子大规模协同运动和剪切软化. 物理时效诱导非晶合金内耗和原子移动性降低. 过冷液相区内原子移动性高至消除了结构弛豫影响.     

铜基非晶合金热效应和剪切模量变化起源

剪切模量在非晶合金黏性流动、扩散及结构弛豫等行为中起着重要作用. 宏观剪切弹性决定非晶合金热流变化.探索非晶合金在结构弛豫和玻璃转变过程中宏观力学性能与热流的关联有助于理解其力学行为起源. 本研究基于自间隙理论对Cu$_{49}$Hf$_{42}$Al$_{9}$非晶合金热流、剪切模量及黏度进行研究,建立剪切模量与热流之间的关联. 通过测量剪切模量精确测定自间隙缺陷浓度演化规律.从能量角度出发,通过激活能图谱探索自间隙缺陷浓度对非晶合金热力学性能的影响. 借助于动态力学分析仪研究非晶合金从室温到过冷液相区的动态弛豫行为,探索物理时效引起的结构弛豫以及内耗演化规律. 研究结果表明,自间隙理论可准确描述非晶合金的弛豫动力学、剪切软化及结构弛豫诱导的力学行为. 结合热流数据可以很好描述铸态和弛豫态非晶合金剪切模量随温度演化过程,激活能图谱直观表述了单位激活能可激活的自间隙缺陷浓度. 自间隙缺陷在结构弛豫中湮灭,表现为玻璃体系结构向更稳定状态迁移.在玻璃化转变过程中,缺陷浓度显著升高伴随热吸收,表现为原子大规模协同运动和剪切软化. 物理时效诱导非晶合金内耗和原子移动性降低. 过冷液相区内原子移动性高至消除了结构弛豫影响.      

各向异性板的面导纳特性研究

目前在工程上各向异性结构中的振动问题和振动能量传递的问题越来越多,然而对各向异性结构导纳的研究还不充分,对各向异性板面导纳的研究也还处于萌芽状态。面导纳不仅反映结构的振动特性还能反映能量传递的特性,因此面导纳比点导纳在工程上更加贴合实际。本文根据理论公式获得了一般各向异性板面导纳的理论解,并与有限元模型的数值解对比发现两者有较好的一致性。作者采用有限元方法深入研究了各向异性板的弹性常数、板的尺寸大小及边界条件等对面导纳及其点导纳和面导纳差异值的影响,力求给工程测量和实际运用提供指导。研究发现增加激励面积、减小结构刚度及阻尼系数会使点、面导纳差异变大,剪切模量对板振动特性的影响远小于弹性模量,一般各向异性板模型退化为正交各向异性板模型会使点、面导纳差异变大,加大板的面积及增加阻尼系数有利于缩减导纳的波动范围,边界条件对板减振性能的影响较小。     

考虑破损-安全的连续体结构拓扑优化ICM方法

本文瞄准连续体在破损-安全考虑下的结构拓扑优化问题,旨在克服传统模型求解所得最终构型存在的弊病,避免结构因缺乏合理的冗余结构而敏感于局部破坏,实现破损-安全的目标. 首先,梳理了以往虽然用到却并不明晰的4个概念:结构局部破损模式、结构局部破损区域、结构破损状况、结构破损状况的预估分布. 之后,基于独立连续映射(ICM)方法,对该问题建立了力学性能约束下结构体积极小化的模型. 建立目标函数时,利用Minimax的概念将可能出现的结构破损状况对应的所有结构体积目标转化为原结构的唯一结构体积目标,克服了多目标问题的困难. 建立近似约束函数时,将可能出现的所有结构破损状况对应的力学性能的约束皆考虑进去,既能处理载荷单工况也能处理载荷多工况. 最后,以位移约束为例,建立了优化模型并求解. 单工况及多工况位移约束拓扑优化算例验证了算法的有效性. 结果表明:本方法相比于不考虑破损-安全的拓扑优化设计,得到的最优拓扑更复杂,体积比更大即所用材料更多,亦即最优结构具有更多的冗余,此正是考虑破损-安全设计原则的结果. 本文的研究对于航空、航天、其他水、陆等领域运载工具以及其他工程结构在意外破坏、战争创伤或恐怖袭击下的结构设计,乃是非常重要的进展.      

Determining the effective thermoelastic characteristics of regularly laminated composite in the asymmetric theory of elasticity

The asymmetric theory of elasticity is used to model a hybrid laminated composite of regular structure with all phases isotropic. The effective thermoelastic characteristics of the composite are determined. It is shown that the equations derived can be used to determine stress–strain state in all the phases of the composite using the average components of the tensors of force stresses, couple stresses, strains, and wryness in a layered material, which is of fundamental importance for the design of composites based on structural theories of failure     

Estimates of thermoelastic characteristics of composites reinforced by short anisotropic fibers

We construct a mathematical model describing thermomechanical interaction between composite structure elements (isotropic particles of the matrix and anisotropic short fibers) and the macroscopically isotropic elastic medium with desired thermoelastic characteristics. At the first stage of this model, the self-consistency method is used to obtain relations determining the elasticity moduli of the composite, and at the second stage, the model permits determining its linear thermal expansion coefficient. The dual variational statement of the linear thermoelasticity problem in an inhomogeneous solid permits obtaining two-sided estimates for the bulk elasticity modulus, shear modulus, and linear thermal expansion coefficient of the composite under study. The calculated dependencies presented in the paper permit predicting the thermoelastic characteristics of a composite reinforced by anisotropic short fibers (including those in the form of nanostructure elements).     

5083H111铝合金宽应变率拉伸动态本构模型

结合5083H111铝合金较宽应变率范围2×10-4 ~ 4×102s-1内的拉伸实验数据,揭示该铝合金的拉伸“V”型率效应特征,分析对数应变率敏感系数λ和切线模量Et的应变率和应变相关性,进而通过对Johnson-Cook模型的修正来建立合理描述5083H111铝合金较宽应变率范围内的动态拉伸本构模型。建立的动态本构模型中,流动应力包括应变率相关和应变相关两部分。该模型合理描述了5083H111铝合金的拉伸“V”型率效应特征,预测结果与实验结果较为一致。另外,结合破坏应变的对数应变率敏感系数β,得到了拉伸破坏应变预测方程,其预测结果也与实验结果基本一致。