试析复杂组合结构重要力学问题研究及工程应用

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1、东南大学博士学位论文复杂组合结构重要力学问题研究及工程应用姓名：尹凌峰申请学位级别：博士专业：结构工程指导教师：赵惠麟;郭小明20030801摘要复杂组合结构在城市建筑中的应用越来越广，但其中还存在一些难以解决的力学难题：1)组台结构稳定性能。2)共同工作问题。3)异形钢管混凝土构件的承载力。本文以大型郑成功雕塑结构为研究对象，对结构的选型、静力特性、稳定性能、基底变形及承载力、主要承载构件稳定承载力以及结构的抗震性能进行了详细的、全面的研究，为该工程提出了若干指导性意见，探讨如何能够快速高效、安全可靠地进行复杂组合结构的设计。本文创新点及

2、对工程应用的指导性内容为：1本文首次将新型空间结构体系—板片空间结构应用于郑成功雕塑结构，并选择合理的结构组合方式，分析选定结构方案的静力性能，得到一些很有价值的结论。2复杂组合结构的稳定问题是一个重要的力学问题，本文首先对当前分析大型结构稳定性能的方法作了一定的探讨，对结构稳定分类提出了新的观点。将非线性分叉概念引入复杂组合结构的稳定分析研究中，对平衡路径的跟踪技术，包括极值点失稳路径和分叉路径的跟踪方法进行了研究。本文采用最小余量位移法作为增量步内的迭代方法，编制了相应的算法程序，该方法对所有的自由度均进行控制，直接使迭代中的余量位移最

3、小，因而计算的准确性和效率太大提高。本文采用扰动位移法跟踪结构平衡分叉路径，分析结构非线性分叉失稳与扰动方式以及初始缺陷之间的关系，发现非完善结构甚至有初始缺陷的非完善结构也会发生非线性分叉失稳。复杂组合结构的稳定分析较一般空间结构更加困难，本文分析了郑成功雕塑的整体稳定性，分析方法包括了特征值屈曲和双非线性稳定分析，考虑了初始缺陷的影响，研究结构局部失稳和整体失稳的关系，采用合理的结构构造，增强结构的稳定性，分析表明：合理的结构形式+良好的结构构造保证了郑成功雕塑不会发生整体失稳3共同工作问题广泛存在于组合结构中。在进行结构的非线性分析时

4、，结构体系(基底、组合结构)中的接触部分会发生有限变形和较大滑移。传统点对接触模型在分析之初就固定了接触点对单元，不能很好地适应这种情况。本文首次推出新的动态更新点对接触单元(VNPC)模型来解决这个问题。VNPC模型基于传统的点对接触模型，加入了相应的搜索算法，动态更新接触单元，使其可以适应有限变形和较大滑移量，有效地避免接触部位发生“伪接触”和“伪穿透”现象，加快分析的收敛速度。VNPC模型中采用了三维增量AugmentedLagrange乘予算法作为接触模型的核心算法，为了适应结构弹塑性和循环加载分析的要求，本文首次提出相应的迭代公式

5、，详细推导出详细的算法迭代流程，编制了计算程序，中间采用“两步法”处理了由于摩擦问题带来的剐度矩阵不对称问题。运用较新的矩阵运算解法(SSOR-PCG)，用以解大型矩阵方程组，提高计算速度。算例验算结果表明，VNPC模型具有较好的分析精度，能够比较真实地模拟结构接触部位的变形情况。4本文采用VNPC接触模型分析大截面钢柱基底承载力和变形，并创新性地引入锚杆的计算锚固长度。提出相应的计算简化模型，从而能够首次较为台理地分析出影响基底变形的关键因素。5本文首次提出能够适用于复杂组合结构体系，采用锚栓连接钢板和混凝土异形钢管混凝土结构，荠给出相应

6、的锚栓设计方法。异形钢管混凝土的承载力分析至关重要，本文在现有混凝土力学发展成果的基础上，提出了异形钢管混凝土的核心混凝土组合VMW本构模型，提出了适用于异形钢管混凝土、嵌套于VMW模型中的单向应力一应变关系。并合理简化异形钢管混凝土的有限元分析模型，提出ICFEA法。采用典型构件验算，借助实验手段，验证了ICFEA法分析结果误差较小，计算速度快。能够满足工程设计需要。为了加强异形钢管混凝土中钢板和核心混凝土的共同工作性能，避免钢板过早发生局部鼓曲失东南大学博士学位论文稳，采用ICFEA法分析郑成功马腿的稳定性能，获得良好的效果。6最后本文

7、进行了郑成功雕塑的抗震分析，详细探讨了能够影响此类复杂组合结构抗震性能的各种因素，得出相应的结论，总结出一些能够为实际工程所借鉴的一般性规律。关键词：复杂组合结构；板片空间结构；结构选型；非线性分叉；动态更新点对接触；共同工作组合本构模型；异形钢管混凝土：ⅡABSTRACTTheapplicationofthecomplicacycomposites恤lctureincitybuildingisbecomingmoreandmorewidely，however,therearesomeproblemsofmechanicsthataredi

8、f矗culttoresoIve：1)composites仃1Jcturestabili够；2)interactiveproblem；3)thebearingcapacityoft