鋼節(jié)點(diǎn)在極端荷載作用下的拉結(jié)能力研究

本項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容是鋼結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)在遭受各種極端荷載，比如火災(zāi)、地震、爆炸等的作用下，承受非常規(guī)的極端荷載，發(fā)生大變形而不發(fā)生斷裂性破壞的能力。研究的重點(diǎn)是火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)承受多種荷載組合時(shí)的承載能力。項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中進(jìn)行了以下工作： 1. 進(jìn)行了6個(gè)端板式鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)以及2個(gè)雙角鋼鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的高溫火災(zāi)試驗(yàn)，記錄了試驗(yàn)過(guò)程中鋼結(jié)構(gòu)的荷載、溫度、變形等數(shù)據(jù)。8個(gè)試件考慮了不同連接形式、端板厚度、荷載組合等的影響。 2. 進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)高溫下力學(xué)行為的有限元模擬，提出了在各種不同的受力組合、不同的幾何尺寸下的破壞模式特征以及極限承載力規(guī)律。 3. 改進(jìn)了端板式鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的彈簧簡(jiǎn)化分析模型，在原有僅能考慮拉 彎組合的基礎(chǔ)上，引入了剪力的影響，因此，形成通用的可以考慮節(jié)點(diǎn)在任意拉 剪 彎的耦合作用的簡(jiǎn)化模型。 目前的結(jié)構(gòu)整體分析工具往往假定簡(jiǎn)單的剛接或鉸接的節(jié)點(diǎn)特性，或者能模擬具有一定彈性轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的節(jié)點(diǎn)，但不能直接考慮節(jié)點(diǎn)的極限承載力及破壞。本項(xiàng)目中的彈簧簡(jiǎn)化分析模型可以輕易地引入任何結(jié)構(gòu)整體分析有限元程序中，并模擬節(jié)點(diǎn)發(fā)生大變形至破壞的全過(guò)程，因此，可以推動(dòng)極端災(zāi)害荷載作用下結(jié)構(gòu)的整體抗倒塌分析。 2100433B

建筑結(jié)構(gòu)在其生命期內(nèi)可能遭受各種極端荷載，如火災(zāi)、地震、爆炸等。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)完全承受極端荷載而不發(fā)生任何破壞是不經(jīng)濟(jì)合理的，因此，在極端荷載的作用下，往往允許部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生破壞，而對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)。此時(shí)，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性極大地依賴于節(jié)點(diǎn)在拉力作用下的抗破壞能力。本項(xiàng)目主要針對(duì)火災(zāi)的情況，通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值分析的方法，研究常用的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)類型在不同溫度下以及不同的荷載組合狀態(tài)下的拉結(jié)能力。并將試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析相結(jié)合，開(kāi)發(fā)和完善常用節(jié)點(diǎn)類型的基于組件模型。該模型以較為簡(jiǎn)單的方法反映真實(shí)的節(jié)點(diǎn)特性與失效準(zhǔn)則，因此，將該模型融入框架結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析模型中，不僅可以真實(shí)地模擬節(jié)點(diǎn)和其它結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的相互作用，而且可以分析由節(jié)點(diǎn)破壞引起的結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能。因常溫為高溫研究的一個(gè)特殊狀態(tài)，因此其研究成果也可應(yīng)用于結(jié)構(gòu)遭受其他極端荷載時(shí)的節(jié)點(diǎn)性能評(píng)估。

近海岸橋梁面臨海岸帶環(huán)境中復(fù)雜的動(dòng)力作用，這些動(dòng)力作用一般包括風(fēng)、波浪、潮汐和洋流等。風(fēng)暴潮與波浪的聯(lián)合作用往往使得跨海橋梁周圍水位升高，波浪越頂，潮流紊亂，產(chǎn)生沖刷等，這些自然條件給橋梁的安全性帶來(lái)巨大的隱患。我國(guó)跨海橋梁的興建方興未艾，近海岸橋梁的設(shè)計(jì)與建造必須考慮到海岸帶可能發(fā)生的最惡劣情況，否則將會(huì)造成嚴(yán)重的災(zāi)難性事故。因此開(kāi)展近海岸橋梁在極端波浪荷載作用下毀壞形式和機(jī)理的研究已成為急需解決的關(guān)鍵課題。 該項(xiàng)目采用數(shù)值仿真和水槽模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，開(kāi)展近海岸橋梁在極端波浪荷載下毀壞形式和機(jī)理的研究。研究中首先引入兩相流的概念，建立了基于大渦模擬（LES）和流體體積法（VOF）的三維波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用的數(shù)學(xué)模型,重點(diǎn)將建立高精度自由水面追蹤方法與虛擬邊界力方法用于準(zhǔn)確模擬強(qiáng)非線性破碎波與復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)物的相互作用。通過(guò)三維波浪與梁體的相互作用的數(shù)值仿真獲得梁體所受的瞬時(shí)波浪力，結(jié)合水槽模型試驗(yàn)結(jié)果確定最不利的波浪荷載組合。分析橋梁在波浪荷載作用下的受力特點(diǎn)、最大波浪力隨淹沒(méi)深度變化趨勢(shì)及梁體周圍流場(chǎng)動(dòng)力特性。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)模擬在極端波浪荷載作用下近海岸橋梁結(jié)構(gòu)失效模式研究橋梁的破壞形式和在海岸災(zāi)害中毀壞機(jī)理。通過(guò)該項(xiàng)目的研究取得如下成果： （1）建立基于大渦模擬和VOF方法的三維波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用的數(shù)學(xué)模型。在結(jié)構(gòu)物邊界處理研究中,結(jié)合虛擬邊界力方法,提出二步邊界定位法,實(shí)現(xiàn)流體與復(fù)雜結(jié)構(gòu)物邊界的精確模擬，并進(jìn)一步針對(duì)三維波浪與復(fù)雜構(gòu)形橋梁結(jié)構(gòu)的相互作用進(jìn)行計(jì)算程序的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究,分析在三維波浪作用下,橋梁梁體所受的波浪力特點(diǎn)和梁體周圍流場(chǎng)分布特性，為近海岸橋梁的抗波浪力和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。 （2）進(jìn)行一系列的水槽模型試驗(yàn)。模型試驗(yàn)將橋梁高程、淹沒(méi)深度、波高、規(guī)則波和不規(guī)則波作為變量進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，確定最不利的波浪荷載組合，分析橋梁在波浪荷載作用下的受力特點(diǎn)、最大波浪力隨淹沒(méi)深度變化趨勢(shì)，研究極端波浪荷載作用下近岸橋梁結(jié)構(gòu)失效模式和毀壞機(jī)理。 （3）通過(guò)三維波浪與橋梁相互作用仿真研究獲得瞬時(shí)的梁體所受波浪荷載，結(jié)合水槽模型試驗(yàn)，深入開(kāi)展近海岸橋梁在極端波浪荷載下毀壞形式和機(jī)理的研究，為近海岸橋梁的設(shè)計(jì)和施工提供必要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。這對(duì)進(jìn)一步提高近海岸橋梁設(shè)計(jì)精細(xì)化研究，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全性和可靠性具有重要意義。 2100433B

目前工程設(shè)計(jì)有意地設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在極端荷載（地震，船撞等）作用下進(jìn)入可控的塑性狀態(tài)，通過(guò)塑性構(gòu)件（如塑性鉸）或耗能構(gòu)件（如阻尼器等）的減震效能作用來(lái)保證結(jié)構(gòu)的安全性。項(xiàng)目研究基于自適應(yīng)最小誤差法的損傷識(shí)別理論；研究靜力凝聚方法與該方法的結(jié)合以縮減復(fù)雜結(jié)構(gòu)中不易測(cè)量的自由度；對(duì)彈塑性抗震設(shè)計(jì)橋梁在極端荷載作用下的塑性損傷性能進(jìn)行參數(shù)識(shí)別；討論不同特性彈塑性模型的識(shí)別精度和適用性；并通過(guò)模型試驗(yàn)，驗(yàn)證方法的可行性。目前頻域和時(shí)域范圍的結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別方法更多著眼于彈性構(gòu)件的損傷(如剛度損失)，而對(duì)認(rèn)為設(shè)計(jì)的彈塑性構(gòu)件的損傷識(shí)別方法研究不夠。研究提出的基于自適應(yīng)最小二乘法的識(shí)別方法理論上能夠兼顧全局及局部?jī)?yōu)化條件，試驗(yàn)和工程上能識(shí)別結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的性能參數(shù)變化，且適用于給定非線性本構(gòu)模型。當(dāng)極端荷載發(fā)生時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)到的結(jié)構(gòu)響應(yīng)及時(shí)識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷以及所設(shè)計(jì)的塑性構(gòu)件和耗能構(gòu)件的特性，對(duì)把握結(jié)構(gòu)的性能、確認(rèn)其可靠性、決定災(zāi)后恢復(fù)與加固方案，故該方法的發(fā)展具有重要的理論和工程實(shí)踐意義。研究成果可廣泛應(yīng)用于橋梁等復(fù)雜結(jié)構(gòu)在地震等突發(fā)荷載作用后的損傷評(píng)估，尤其適用于快速評(píng)估。 2100433B

本項(xiàng)目針對(duì)跨海近海岸橋梁在極端波浪荷載作用下災(zāi)變毀壞問(wèn)題，采用數(shù)值仿真和寬水槽模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，開(kāi)展近海岸橋梁在極端波浪荷載下毀壞形式和機(jī)理研究。研究中首先引入兩相流的概念，建立了基于大渦模擬（LES）和流體體積法（VOF）的三維波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用的數(shù)學(xué)模型,重點(diǎn)將建立高精度自由水面追蹤方法與虛擬邊界力方法用于準(zhǔn)確模擬強(qiáng)非線性破碎波與復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)物的相互作用。通過(guò)三維波浪與梁體的相互作用的數(shù)值仿真獲得梁體所受的瞬時(shí)波浪力，結(jié)合寬水槽模型試驗(yàn)結(jié)果確定最不利的波浪荷載組合，分析橋梁在波浪荷載作用下的受力特點(diǎn)、最大波浪力隨淹沒(méi)深度變化趨勢(shì)及橋梁周圍流場(chǎng)動(dòng)力特性。通過(guò)模擬在極端波浪荷載作用下近海岸橋梁結(jié)構(gòu)失效模式研究橋梁的破壞形式和在海岸災(zāi)害中毀壞機(jī)理。為近海岸橋梁的設(shè)計(jì)和施工提供必要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。