基於有限質點法的空間結構倒塌破壞過程研究

《基於有限質點法的空間結構倒塌破壞過程研究》是依託汕頭大學，由喻瑩擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於有限質點法的空間結構倒塌破壞過程研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：喻瑩
• 依託單位：汕頭大學

項目摘要

空間結構多用於大型標誌性公共建築中，該類結構在突發事件中的倒塌破壞會造成重大損失及惡劣社會影響。申請者提出的有限質點法在空間結構倒塌破壞研究中的優勢為：分析結構非線性行為無需疊代求解非線性方程組或特殊修正；計算構件斷裂破壞不受格線劃分的限制。本項目以有限質點法為基本方法，通過試驗研究、理論分析和程式開發實現結構從構件失效、斷裂，到內部機構形成，直至部分或完全倒塌的模擬，提出基於有限質點法的空間結構倒塌破壞全過程分析方法；考慮結構特徵參數的影響，從構件失效、能量轉化和結構機構化的角度研究倒塌破壞過程的擴展規律，建立倒塌擴展規律與結構特徵參數之間的關係；利用這種內在聯繫，研究通過最佳化結構特徵參數實現倒塌過程控制的方法。本項目的研究將為提高空間結構在突發事件中的抗倒塌破壞能力提供理論研究基礎。項目中發展的有限質點法同樣能為其他結構的複雜行為研究提供有效的分析方法。

結題摘要

本項目採用項目負責人提出的有限質點法對空間結構動力荷載作用下的倒塌破壞過程進行了研究。項目建立了考慮壓桿屈曲的彈塑性模型，對空間結構彈塑性失穩和動力彈塑性行為進行模擬。 對典型空間結構構件的受壓、受拉、受彎和受扭作用下的破壞過程進行了試驗研究。得出了不同空間載入方式下構件破壞行為的規律。基於構件破壞試驗和文獻資料，發展了基於有限質點法的空間結構構件的斷裂準則和斷裂模式，給出了構件斷裂後質點性質的計算方法，對空間鋼結構構件的斷裂行為進行了模擬。 整合現有程式，仿真實現了空間結構從構件失效、斷裂，到內部機構形成，直至部分或完全倒塌的全過程模擬。通過跟蹤倒塌過程中的結構能量變化，得出結構的外力功等於結構的動能、勢能和阻尼負功之和。表明倒塌過程在發生結構大變形、大轉動、機構運動及斷裂過程中能量守恆，驗證了算法和模擬程式的正確性。在此基礎上，研究了典型動力荷載作用下結構倒塌過程中的構件失效回響、結構機構化演變和能量在結構內部的傳遞、分布和耗散規律。 基於結構倒塌破壞的全過程模擬，通過大量算例分析，建立了衡量結構倒塌過程的敏感性指標，以及空間結構倒塌過程擴展規律與結構特徵參數之間的關係，提出了兩種結構抗倒塌設計方法。一種是基於結構自身參數最佳化的抗倒塌設計方法，該方法在結構方案設計階段較為有效，對確定結構的合理體型有重要的作用。另一種為基於結構倒塌模式的結構局部最佳化法，該方法能有效創建結構破壞後的倒塌傳力路徑，延長倒塌時間，提高結構的抗倒塌性能。因此在結構後期深化設計階段非常有效。 項目對空間結構倒塌過程中的接觸碰撞行為進行了預研。建立了空間桿件碰撞的接觸偵測機制。採用接觸點對模型計算了剛性碰撞反應。採用彈簧模型計算柔性碰撞反應。項目中發展了基於有限質點法的結構接觸碰撞行為模擬算法和程式。 本項目提出了基於有限質點法的空間結構倒塌破壞全過程分析方法以及抗倒塌設計方法，並開發了相應程式，為提高該類結構的抗倒塌破壞能力提供了理論研究基礎。項目中發展的有限質點法同樣能為其他結構的複雜行為研究提供有效的分析方法。