连续及多点冲击下考虑节点刚性影响的网壳结构的失效机理研究

The dynamic instability of the structure under incidental load is the major problem in the world.If important large-span reticulated shells damaged by some unintentional injuries such as impact, it will cause great losses of life and property. The project is based on the current impact study of reticulated shell structure only consider single point impact and ignore the joint stiffness problem and put forwards method for the analysis of response of reticulated shell structure considering the effects of joint stiffness, it reveals dynamic failure mechanism under single-point continuous and multipoint impact through impact test and finite element analysis. The main contents include: impact test of welded spherical joints and fine modeling method; the mixed finite element method which is used to establish the model of single-layer spherical reticulated shell structure considering the influence of joint stiffness; through the method of integral structure impact test and finite element analysis and comparative analysis, dynamic response and failure mode of the spherical reticulated shell are studied by a large number of parameter analysis, considering the factors of impact energy, impact time and impact position, dynamic failure criterion is proposed, the whole process of dynamic instability and even structure collapse is studied, law of energy transmission and dissipation is revealed, the simplified calculation method for evaluating the ultimate bearing capacity of structures is proposed. The results will provide a theoretical basis for the application of large span structure in the field of engineering and the design method of impact resistant.

偶然荷载下结构的动力失稳是世界范围面临的重大难题。重要的大跨度空间结构,如果遭受冲击等意外危害时发生破坏，会造成重大的生命财产损失。本项目针对目前网壳结构抗冲击研究中仅考虑单点一次冲击和忽略节点刚度的问题，提出了考虑节点刚度影响的网壳结构的冲击响应分析方法，通过冲击试验和有限元分析，揭示单点连续及多点冲击荷载下结构的动力失效机理。具体研究内容包括：焊接球节点的抗冲击试验及精细化建模方法；采用混合有限元法建立考虑节点刚度影响的单层球面网壳结构的模型；进行单点连续和多点冲击网壳结构冲击试验，通过对比和大量的参数分析，考虑冲击能量、冲击时间、冲击位置等关键影响因素，研究结构的动力响应及失效模式，提出动力失效判别准则，研究动力失稳乃至结构倒塌的全过程，揭示能量传递及耗散的规律，提出评估结构极限承载力的简化计算方法。研究成果将为大跨结构在工程领域的应用提供理论基础和抗冲击设计方法。

网壳结构因其受力合理、刚度大、重量轻、结构形式多样等特点，广泛应用在体育馆、博物馆等建筑中。然而，由于自然灾害、恐怖袭击等发生，此类结构遭偶然冲击作用的风险也越来越大，冲击作用下结构甚至发生动力失稳乃至倒塌，这将会造成重大的生命财产损失。.本课题基于现有研究的不足之处，主要做了以下研究：1）冲击作用下半刚性节点抗冲击性能分析。完成了三组不同壁厚及直径的焊接球节点冲击试验，定义了节点的三类失效模式，总结了壁厚及直径对其动力响应的影响。2）考虑节点刚度的网壳抗冲击研究。建立了直径40m的K6型球面网壳，变化焊接球直径及壁厚，研究了节点刚度对结构抗冲击性能的影响。3）单点连续及多点冲击作用下网壳结构的抗冲击试验研究。用网壳模型的同批材料制作了15组构件，进行了杆件及节点的材性试验。利用直径1.5m的K6型网壳模型进行了五组单点连续和六组多点冲击，试验结果与有限元分析结果吻合较好。4）单点连续及多点冲击作用下网壳失效机理研究。通过4种不同矢跨比的K8型网壳有限元模型，分析了180种工况，定义了连续冲击作用下网壳的三种失效模式，总结了其动力响应规律。通过改变冲击物的冲击速度、质量、冲击点数量及冲击点分布方式，对608个计算模型展开参数分析，定义了网壳在多点冲击作用下的6种失效模式。基于冲击力、节点竖向位移、冲击物动能、结构杆件动能与应变能五项特征指标，总结了网壳的动力响应规律，依据冲击全过程网壳的冲击能施加、传递、消耗的变化规律，揭示了网壳在单点连续及多点冲击作用下的失效机理。5）下部支撑受冲击荷载时K6型网壳动力响应研究，考虑了支撑高度及支撑形式对其动力响应的影响。6）冲击荷载下四种典型施威德肋型球面网壳结构动力响应研究。对四种典型施威德肋型球面网壳遭受冲击荷载作用进行了参数分析，对比了四类网壳的抗冲击性能的优劣性。本课题取得的研究成果将为大跨结构在工程领域的应用提供理论基础，对结构的抗冲击设计具有指导意义。