大跨空間鋼結構的連續性破壞試驗與倒塌機制研究

《大跨空間鋼結構的連續性破壞試驗與倒塌機制研究》是依託同濟大學，由趙憲忠擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：大跨空間鋼結構的連續性破壞試驗與倒塌機制研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：趙憲忠
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

大跨空間結構在追求質量輕的同時亦一定程度上降低了結構的冗餘度，因此一旦在非預期荷載作用下局部失效，極易引發多米諾骨牌似的連續性倒塌。基於此，本項目以大跨空間網殼結構為具體研究對象，構建基於多尺度思想的包含動力學、機構運動學和碰撞衝擊等非線性力學特徵和構件非彈性、構件斷裂失效等行為特徵的高效數值算法，以局部失效誘致的節點/桿件塑性或脆性斷裂為起點，模擬空間結構體系漸進破壞、整體失穩、直至倒塌的全過程；結合具有破斷觸發裝置和影像測試系統的空間網殼結構精細模型的倒塌全過程追蹤試驗，分析應力瞬態釋放和內力重分布機制等因素，揭示典型大跨空間網殼結構局部失效後的連續性破壞機理與倒塌機制。同時，構造空間結構的能量平衡格式，建立反映其倒塌性能的倒塌譜，從而提出基於關鍵構件和簡化評估方法的抗倒塌設計準則、倒塌控制模式和相應的倒塌防止對策，為大型空間結構的抗連續性倒塌設計提供必要的手段和技術支撐。

結題摘要

結構體系在非預期荷載作用下因局部失效而導致整體結構連續性倒塌的現象，得到越來越多的關注和研究；但迄今為止的研究成果大多集中於框架結構體系，針對大跨度空間結構體系的連續性倒塌研究則相對較少。然而，近年來諸如德國巴特賴興哈爾溜冰場屋蓋、鄂爾多斯國際那達慕會場等大型公共建築的倒塌事件頻現於報端，使得此類大跨度空間結構的連續性倒塌研究具有明確的現實意義與切實的緊迫性。本項目即從大跨桁架結構和單層球面網殼結構兩類典型的剛性空間格線結構出發，以精細、系統的整體模型倒塌試驗為基礎，輔以能真實反映倒塌過程與性態的數值分析，結合簡化的數學模型分析，從機理上闡釋空間格線結構的抗倒塌機理，並提出桿件敏感性的定量確定方法。本項目研究首先開發及完善了空間結構連續性倒塌研究的試驗與數值分析手段，以實現局部初始破壞的構件初始失效裝置和高頻動應變、高速動位移的採集系統為核心，構建了整體模型試驗連續性倒塌試驗系統；使用材料多尺度方法構建了能考慮斷裂中剪下與拉伸組合貢獻的新的韌性金屬斷裂模型，提出纖維梁單元軸向應變斷裂準則，封裝成子程式用於空間梁桿單元斷裂的模擬，並開發了基於Abaqus子程式的結構連續性倒塌分析過程控制算法，提高空間結構連續性倒塌有限元分析效率。對大跨度桁架結構的研究以典型的Warren桁架為對象，完成了3個平面桁架結構模型的動力連續性倒塌試驗，結合不同倒塌工況下的回響參數分析，闡釋桁架結構抗倒塌機制：依初始局部破壞的位置不同，桁架結構通過下弦的懸鏈線作用或整體的拱效應抵抗連續性倒塌的發生，跨中位置的所有桿件及緊鄰支座位置下弦桿為倒塌敏感桿件；同時，基於不平衡力緩慢逐步釋放的思想，開發了一種新型桁架節點構造，並經試驗驗證，其可在多方面顯著地改善整體結構的抗連續性倒塌性能。對空間網殼結構的研究以Keiwitt型單層球面網殼結構為對象，完成了2個單層球面網殼模型的動力連續性倒塌試驗，結合有限元分析，指出初始破壞對網殼結構的影響更多地體現在局部的內力重分布，自由節點的點失穩是單層球面網殼結構發生連續性倒塌的根本原因；基於此，構造了自由節點“穩定抗力係數”公式用於判定桿件的敏感性，並成功套用於凱威特型、肋環型、施威德勒型和聯方型單層球面網殼結構的敏感桿件判斷；同時，提出了提高單層球面網殼結構抗連續性倒塌能力的概念設計方法。