冲击荷载作用下受损网壳结构全过程动力响应分析(2)
时间:2013-11-27 11:21 文章来源:http://www.lunwenbuluo.com 作者:王秀丽 马肖彤 点击次数:
2.3加载方法
对于无损单层网壳结构,一般在顶点施加冲击荷载会引起结构产生较大的动力响应;而本文分析中采用的模型为一存在薄弱部位的受损结构,需要考虑在薄弱部位施加冲击荷载作用时结构的动力响应,因此,选用冲击荷载的加载点为顶点和17号点(该点是静力计算中损伤区位移最大的点)。
2.4计算分析
2.4.1顶点加载
结构顶部作用冲击荷载,采用BR准则作为失稳判别准则,不断跟踪冲击力荷载峰值与壳顶节点位移最大响应值之间的关系,绘制荷载位移全过程曲线,见图4(a)。从图4(a)可以看出,当Pmax<35kN时,位移幅值从0.849~9.535mm缓慢增长;当Pmax>35kN时,位移幅值超过《网壳结构技术规程》(JGJ61-2003)所规定的限值L/300=10mm且增长迅速,网壳发生第1次动力失稳,可初步判定顶点加载时动力临界荷载为35kN,其中,L为网壳的跨度;当Pmax=60kN时,第1圈的主肋全部屈服,环杆部分由拉杆变为压杆,第2圈的主肋接近屈服,最大有效塑性应变为0.017;当Pmax=70kN时,第2圈的主肋全部屈服,斜杆有部分屈服,最大有效塑性应变为0.021;当Pmax=150kN时,第3圈的受损杆件开始屈服,最大有效塑性应变为0.043;当Pmax=250kN时,第1圈的所有杆件随着顶点一起下凹,第3圈的杆件基本屈服,第1圈的所有环杆屈服,同时拉杆全部变为压杆,最大有效塑性应变为0.077,判定为第2次动力失稳;当Pmax=450kN时,第2圈的杆件下凹,第1~4圈的杆件全部屈服,最大有效塑性应变为0.17,判定为第3次动力失稳;当Pmax=560kN时,第1圈的主肋杆件最大有效塑性应变达到0.257,材料失效,杆件发生断裂破坏,顶点位移达到712.2mm,超过了结构的高度,结构发生完全破坏,见图4(b)。在一系列加载过程中,受损杆件对整个结构响应的影响并不明显,主要是由于这些杆件并未与加载点相连,而是位于第3圈或第4圈,冲击荷载响应传递到这些杆件的时间较晚且冲击力也较小。
不同荷载峰值下的位移最大节点与应力最大杆件时程曲线见图4(c),(d)。从图4(c),(d)可以看出,在冲击的瞬间位移与应力一般只需要几毫秒就达到一个峰值,随后节点的位移、杆件的应力变化都开始稳定下来,一直绕着某个平衡位置小幅振荡,符合冲击作用下的结构响应规律。随着荷载峰值的不断增大,结构振荡越来越小,主要是因为在较大荷载作用下结构的响应会瞬时达到较大值,变形也一次性达到极值。其他点的响应自冲击点位置(壳顶节点)开始,既而发散并传播开来,也就是说,离冲击位置越近的位置,其节点或杆件产生响应的时刻相对越早;离冲击位置越远的位置,其节点或杆件产生响应的时刻相对越晚。同时,随着冲击力荷载峰值的增大,结构响应传播的速率有所加快,结构位置产生响应的时刻有所提前,但是峰值响应出现的时间时早时晚,并未发现有一定的规律。
该网壳发生第1次失稳后,继续冲击壳顶时,第2次失稳的荷载比第1次高很多,冲击力荷载峰值达到第1次失稳时的7.14倍,说明本模型虽然为受损结构,但是发生首次失稳后,仍然有很强的抗冲击能力。将结构破环时的荷载峰值560kN等效为重物冲击碰撞,若冲击物的质量为1000kg,则需要3.36m·s-1的速度。
而在相应幅值的静力荷载作用下,位移远小于冲击荷载作用下的位移[图4(a)]。在560kN静力荷载作用下,结构最大位移虽为123.65mm,但只是顶点以及第1圈处的位移较大,而其他节点位移很小,结构并不会发生整体破坏。
2.4.2受损点加载
为了能够更好地了解受损杆件对该结构抗冲击能力的影响,在受损较严重的杆件区域进行加载,得到荷载位移全过程曲线,见图5(a)。从图5(a)可见,损伤点加载的荷载位移曲线与顶点加载荷载位移曲线的特征相似,但是各个荷载峰值对应的位移相对于顶点加载时偏大。当Pmax<25kN时,位移幅值从1.26~10.56mm缓慢增长;当Pmax>25kN时,位移幅值开始迅速增长且超过《网壳结构技术规程》所规定的L/300,判定为结构发生第1次动力失稳,25kN可看作动力稳定临界荷载;当Pmax=40kN时,与加载点相连的2个受损杆件最先发生屈服,最大塑性应变为0.013;与顶点加载相似,随着荷载峰值的增加,位移幅值与屈服的杆件也在不断地增加,当Pmax=200kN时,加载点区域的第3圈环杆屈服且发生整体下凹变形,最大塑性应变为0.117,判定为结构发生第2次动力失稳;当Pmax=300kN时,加载点区域的第4圈环杆屈服,加载点所在的1/6结构区域下凹,最大塑性应变为0.184,判定为结构发生第3次动力失稳;当Pmax=400kN时,位移达到529.7mm,屈服杆件进一步扩散,结构发生大面积凹陷,最大塑性应变为0.281,部分杆件失效,结构发生功能破坏,最终变形见图5(b)。
不同荷载峰值下的位移时程与应力时程曲线见图5(c),(d)。从图5(c),(d)可以看出,不同荷载峰值下的位移、应力时程曲线与顶点加载时有相同的变化规律,在冲击的瞬间都达到一个峰值,随后变化开始稳定下来,绕着某个平衡位置小幅振荡。此加载方法下结构发生第1次失稳后,当继续冲击加载点时,第2次失稳的荷载比第1次高更多,达到第1次失稳时的16倍,说明在受损点加载发生首次失稳后,结构仍有很强的抗冲击能力。将结构破环的荷载峰值400kN等效为重物冲击碰撞,若冲击物的质量为1000kg,则需要2.4m·s-1的速度。
在相应幅值的静力荷载作用下,位移同样远小于冲击荷载作用下的位移[图5(a)],但是均大于静力荷载顶点加载的情况,在400kN静力荷载作用下,结构最大位移为209.67mm,结构仍为局部位移过大破坏,而非整体倒塌破坏。在受损点加载时,结构的静动力响应均比顶点加载时大很多,动力临界荷载和结构最终破坏的荷载都比顶点加载时小,说明对于该受损模型来说,受损薄弱部位承受冲击荷载是十分不利的,需要对受损部位进行及时维修加固。
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