考虑材料损伤累积单层柱面网壳在强震下的失效研究

采用考虑钢材损伤累积的本构模型,对跨度15米单层柱面网壳在强震下的失效进行了系统的研究。在大量算例的基础上,考察了屋面质量、矢跨比、初始几何缺陷和长宽比等结构几何参数的变化对柱面网壳失效特征和失效极限荷载的影响,探讨了结构的强震失效模式及失效机理。对大量强度破坏算例在失效时刻的特征响应进行统计分析,建立了考虑材料损伤累积的单层柱面网壳动力损伤模型,可对结构在不同荷载强度下的损伤程度进行评估;提出了单层柱面网壳强震失效判别准则,用于判别单层柱面网壳在强震下的失效极限荷载。     

冲击荷载下单层球面网壳的失效机理

为研究单层球面网壳在冲击荷载下的失效机理,在ANSYS/LS-DYNA中建立60m跨度K8型单层球面网壳与圆柱形冲击物的数值模型并进行数值分析,总结了网壳结构的4种失效模式。通过对失效全过程的分析,从能量的角度将失效过程分为能量施加、能量传递与损失、能量消耗3个阶段。之后分别从能量传递与杆件破坏形式2方面揭示了网壳的失效机理。能量分析表明:剩余能量(Elf)对结构最终动力响应及失效模式起决定作用,而Elf只是初始冲击能量中除去冲击物穿透损失与网壳局部破坏损失后的剩余部分。通过对杆件破坏形式的分析发现:杆件的破坏可能滞后于冲击荷载的作用,且杆件的破坏形式决定其传递能量的能力,当杆件发生拉伸破坏时,其强度被充分利用,传递的能量最多,Elf值较大,网壳整体破坏严重。杆件的破坏形式与Elf及网壳整体的失效模式间有很好的对应关系。     

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。     

桥梁结构抗爆安全评估研究进展

随着恐怖袭击和偶发爆炸事故造成的桥梁爆炸事故不断增多,桥梁结构抗爆安全问题越来越受到关注。本文中系统总结了桥梁结构抗爆安全评估的研究进展,分析桥墩、桥面、桥索和桥塔爆炸载荷作用下桥梁的理论简化方法和结构的动力响应,和桥梁的连续性、冗余性和鲁棒性对结构连续性倒塌的影响,通过对建筑和桥梁抗连续倒塌的研究现状及相关规范的归纳,明确了桥梁连续倒塌的特性及现行桥梁设计方法的缺陷。而后,就承载能力评估、耐久性评估和适用性评估等桥梁安全评估问题的研究进展进行了梳理,并对桥梁爆破拆除技术和近地下爆炸对桥梁产生的响应和破坏作用进行分析,并针对当前研究的现状,分别提出建议。     

液化天然气储罐混凝土穹顶的冲击破坏模式与机理

为获得大型全容式LNG储罐混凝土穹顶结构在圆柱形刚体冲击作用下的动力响应、失效模式以及失效机理,基于160 000 m³的LNG储罐,应用ANSYS/LS-DYNA建立LNG储罐精细化有限元数值模型,并通过对弹丸冲击混凝土靶板实验的数值模拟,验证了有限元模拟方法及材料模型的适用性。通过分析圆柱体冲击物撞击下LNG储罐的动力响应,提出储罐穹顶结构的3种失效模式即局部凹陷、混凝土剥落、击穿破坏,并根据冲击过程中能量的传递特征揭示了每类失效模式对应的失效机理。最后通过大量参数分析获得不同冲击物直径、冲击位置、冲击角度对LNG储罐结构的最大冲击响应及失效模式的影响规律。结果表明,冲击角度、冲击物直径对LNG储罐混凝土外罐穹顶的失效模式影响较大,冲击位置对储罐穹顶失效模式的影响较小,可以忽略。

     

近爆荷载作用下装配式钢筋混凝土柱抗爆性能及受损加固试验研究

为研究近爆荷载作用下装配式钢筋混凝土（precast concrete,PC）柱的抗爆性能与受损后的加固修复性能,开展了足尺PC柱化爆试验与受损柱加固修复轴压试验研究。共开展了3次化爆试验,获得了PC柱的动力响应与损伤破坏试验数据,分析了PC柱与现浇钢筋混凝土（reinforced concrete, RC）柱试验结果的差异。近爆荷载作用下,PC柱呈现出局部损伤破坏模式,爆心附近混凝土剥落,出现斜裂缝,装配位置的交界面出现贯穿裂缝,锚浆搭接PC柱比灌浆套筒PC柱的损伤更加严重。两种装配形式的PC柱整体上具有与RC柱相近的抗爆性能,但装配界面削弱了PC柱的整体性与抗剪切能力,是PC柱典型的薄弱位置。轴压试验结果表明,分别采用置换混凝土和置换后外包碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforcement polymer, CFRP)布的方式加固受损的两根PC柱,其轴向承载力均超过了同规格未受损柱的试验承载力和设计承载力。

     

冲击载荷作用下路面结构的沉降及破坏特征

随着公路在导弹的无依托随机发射中扮演更加重要的角色,研究发射期间其在发射筒冲击载荷作用下的沉降及破坏特征对提高我国武器威慑力具有重要意义。选择低等级道路结构为研究对象,基于河南省、山东省、云南省及广东省的低等级道路统计信息,建立典型低等级道路结构的1/4简化计算模型,采用一种基于有限元和离散元耦合的显式数值分析方法CDEM,并引入塑性-局部化-破裂耦合的本构模型,实现冲击载荷作用下路面沉降的三维全时程模拟,显式地展现裂纹萌生和扩展过程,实现路面结构从连续状态到非连续状态的过渡。通过与落锤弯沉仪试验的监测结果对比验证道路简化模型的正确性及CDEM的计算精度,随后各选取一个沥青混凝土和水泥混凝土道路结构进行数值模拟,并从沉降量、破裂度、破坏特征等方面分析。计算结果表明：沉降量时程曲线与冲击载荷时程曲线变化趋势一致,沉降量在冲击载荷峰值点处达到最大值;破裂面主要产生于冲击载荷急剧增大时期,约占最终全部破裂面积的97%;破裂面大体分为路面结构层内的竖向破裂面和层间的水平破裂面,破坏类型包括拉伸破坏与剪切破坏;路面结构上部易产生环状破裂面,下部易产生径向破裂面。

     

舱内爆炸载荷及舱室板架结构的失效模式分析

通过对典型半穿甲导弹打靶实验中舰艇结构破坏模式的观察,结合数值模拟,分析了舱内爆炸载荷的特征以及舱内爆炸下舱室板架结构的失效模式。结果表明,舱内爆炸下,舱室板架结构承受的冲击载荷及失效模式与敞开环境爆炸下加筋板结构承受的冲击载荷及失效模式有较大区别,其动态响应难以用敞开环境爆炸下加筋板结构的动态响应描述;舱内爆炸载荷主要有壁面反射冲击波、角隅汇聚冲击波以及准静态气体压力,其中两壁面和三壁面角隅汇聚冲击波的强度分别为相同部位壁面反射冲击波强度的5倍和12倍以上;舱室板架结构主要有4种失效模式,其中模式Ⅲ、Ⅳ较常发生;舱室板架结构加强筋布置在迎爆面将使板架中部的局部破坏程度增加,但有利于削弱角隅汇聚冲击波强度,减小板架沿角隅部位的撕裂破坏。     

爆炸载荷作用下加筋板的失效模式分析及结构优化设计

通过对爆炸载荷下具有1根加强筋的固支矩形加筋板的有限元模拟,探讨了抗爆加筋板结构优化设计方法,分析了加筋板的失效模式以及加强筋相对刚度和冲击载荷强度对加筋板失效模式的影响,指出了失效模式Ⅰ下的3种变形模态以及失效模式Ⅱ下的2种子失效模式,得到了失效模式Ⅰ下加强筋和加筋板最大挠度的近似计算公式,提出了单根加筋板的两种失效模式的判别条件,并对具有1根加强筋的固支矩形加筋板抗爆结构进行了优化设计。结果表明,通过数值模拟或模型实验可以求得任意加筋板结构由发生塑性大变形到发生破损的临界条件,从而确定抗爆性能最强时加筋板的质量与加强筋横截面尺寸及间距间的关系,实现对抗爆加筋板结构的优化设计。     

纯弯曲梁的应变损伤失效分析和预测

提出了纯弯曲梁的应变损伤失效分析方法,与Kachanov的材料受载横截面减少定义拉伸损伤变量类似,以梁的弯曲惯性矩阵减少定义弯曲损伤变量。推导了梁的弯曲应变损伤基本方程,其中的材料常数可由Kachanov拉伸损伤模型的材料常数确定。并且提出了便于工程应用的应变失效预测方程。     

A micromechanical damage model for rocks and concretes under triaxial compression

Based on analysis of deformation in an infinite isotropic elastic matrix containing an embedded elliptic crack, subject to far field triaxial compressive stress, the energy release rate and a mixed fracture criterion are obtained by using an energy balance approach. The additional compliance tensor induced by a single closed elliptic microcrack in a representative volume element and its in-plane growth is derived. The additional compliance tensor induced by the kinked growth of the elliptic microcrack is also obtained. The effect of the microcracks, randomly distributed both in geometric characteristics and orientations, is analyzed with the Taylor＇s scheme by introducing an appropriate probability density function. A micromechanical damage model for rocks and concretes under triaxial compression is obtained and experimentally verified.