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锈蚀对网壳结构抗连续性倒塌性能的影响_高祁.pdf
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1、工程技术2023年第2期摘要:发生在水泥生产线建(构)筑物空间网格结构节点、支座处的锈蚀易导致相关的杆件失效,引发建(构)筑物空间网格结构连续性倒塌。通过有限元数值模拟,研究了实际服役结构在不同锈蚀年限下抗连续性倒塌性能的变化情况。动力响应过程中单层网壳结构最大应力达到静力作用下的1.5倍,部分杆件屈服,相邻节点位移达结构跨度的1/5001/300。双层球面网壳结构冗余度高,抗连续性倒塌性能较好。关键词:空间网格结构;钢材锈蚀;抗连续性倒塌中图分类号:TU356 文献标识码:B 文章编号:1001-6171(2023)02-0083-10DOI:10.19698/ki.1001-6171.20
2、232083通讯地址:天津水泥工业设计研究院有限公司,天津 300400;收稿日期:2022-06-28;编辑:孙 娟锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续
3、性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性锈蚀对网壳结构抗连续性倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响
4、倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响倒塌性能的影响高祁高祁高祁高祁高祁高祁高祁高祁高祁高祁高祁高祁高祁高祁高祁高祁高祁高祁高祁高祁高祁高祁高祁高祁高祁高祁高祁高祁高祁高祁高祁高祁Effect of Corrosion on Continuous Collapse Resistance of Reticulated Shell StructuresGAO Qi(Tianjin Cement Industry Design&Research Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300400,China)Abstract:Corrosion on the nod
5、e or support of the spatial grid structure in cement production lines caneasily lead to the failure of the related rods,causing the continuous collapse of the spatial gridbuildings(structures).Finite element numerical simulation is used to study the continuous collapseresistance of structures in ser
6、vice under different corroded years.In the dynamic response process,themaximum stress of single-layer reticulated shell reaches 1.5 times of that under static action,somemembers yield,and the displacement of adjacent joints reaches 1/500 to 1/300 of structural span.Thedouble-layer spherical reticula
7、ted shell structure has higher redundancy and better resistance tocontinuous collapse.Key words:spatial grid structure;steel corrosion;continuous collapse resistance83工程技术CEMENT TECHNOLOGY 2023/21引言水泥生产线建(构)筑物空间网格结构构造复杂,其结构性能受地域环境及气候条件影响,易发生节点、支座锈蚀,导致与节点、支座相连的杆件失效,结构体系破坏,易引发建(构)筑物的连续性倒塌。因此,研究锈蚀对建(构)
8、筑物网格结构抗连续性倒塌性能的影响十分重要。目前,应用最广泛的研究方法为T/CECS 392-2021 建筑结构抗倒塌设计标准(简称抗倒塌规范)中所提出的“备用路径荷载法”(简称AP法)。该方法通过删除模型中因锈蚀在偶然荷载作用下失效的局部构件,评估剩余部分结构的抗连续性倒塌性能。AP法简单有效,但应用时需先确定结构的重要构件。目前,国内已有的建(构)筑物抗连续性倒塌规范中,仅规定了框架结构的重要构件应如何选择,而对于其他类型的空间结构,如,单层网壳结构、双层网壳结构、网架结构等特定类型结构的重要构件应如何选择,并没有统一的规定,对其进行抗连续性倒塌性能研究时,重要构件的选取分析较为复杂。目前
9、,已有众多学者在进行空间网格结构抗连续性倒塌性能研究的过程中,确定了其重要构件的选取原则。即,先通过应力比值分析、屈曲分析等确定重要构件初选范围,再通过多重综合 分 析 确 定 最 终 重 要 构 件。2013年,同济大学赵宪忠等1结合目前行业已有成果,对大跨度空间结构抗连续性倒塌性能研究所使用的数值、试验和理论方法进行了系统性的总结与评述。同年,Jun Li,Hong Hao等2提出了一种空间结构模拟爆炸荷载诱发结构反应和连续倒塌的有限元模拟方法,结合工程实际以两栋 6 层钢筋混凝土框架建筑为例,验证了该方法的有效性。2017年,西安建筑科技大学魏建鹏3提出了单层网壳结构重要构件的选取方法,
10、并提出了结构基于增量动力分析的抗连续性倒塌性能评估法,建立了适用于多种结构形式建(构)筑物的抗连续性倒塌性能定量评价方法。本文主要研究不同锈蚀程度下,空间结构抗连续性倒塌性能的变化,并选取应力较大的杆件作为重要构件进行分析。2有限元模型的建立网格结构杆件较多,节点构造复杂,安装施工时各杆件就位精度不易保证,网格结构存在一定程度初始缺陷4,对其抗连续性倒塌性能有一定影响。因此,为更加准确地描述其抗连续性倒塌性能,必须在建模过程中描述网格结构施工完成后、正常服役过程中的力学平衡状态。本文选取水泥生产线双层网壳结构圆型预均化堆场为研究对象建立模型(见图1),在建模过程中施加1/300的跨度作为结构初
11、始缺陷,采用理想弹塑性模型,网格材料选用Q235钢材,钢材弹性模量E=2.06105N/mm2,屈服强度为235MPa;杆件选图1双层网壳预均化堆场外形及空间结构84工程技术2023年第2期用三维空间线性梁单元(B31)。各国对动力时程分析时的荷载规定各有不同,本文选用美国2013版GSA规程“荷载取1倍恒荷载与0.25倍活荷载之和”的规定,通过曲面导荷,将面荷载转化为节点荷载,施加于网格结构节点之上。删 除 杆 件 的 方 法 有 生 死 单 元 法(ModelChange)和数据传递法。生死单元法在ABAQUS/Standard 求解器中应用Model Change 功能即可实现杆件单元和
12、接触对的删除和再激活5。该方法首先将结构分成两个独立部分,一部分需在前期进行钝化或随后进行激活,另一部分无需做任何处理;其次,移除分析过程中不需要的接触对或杆件单元,以节省计算时间,或使部分单元在仿真分析时,在特定条件下失效或特定时刻激活,共享已求解部分的边界条件和载荷,进行剩余部分的分析。数据传递法是指在将ABAQUS/Standard求解器中的静力分析结果传递给ABAQUS/Explicit求解器的过程中,去除失效单元数据。以上两种方法的操作过程虽有差异,但分析结果的准确性均较高。在模型较为简单的情况下,建议采用生死单元法进行分析(见图2),具体步骤如下:(1)依据截面参数建立结构模型,施
13、加边界条件。(2)对整体结构进行屈曲分析,得到结构的屈曲模态,以第一阶屈曲模态引入1/300跨度作为结构的初始缺陷。(3)整体结构在D+0.25L荷载组合下进行静力分析。(4)删除之前定义的重要构件。(5)对删除了重要构件的剩余结构进行非线性分析。3不同锈蚀程度网格结构抗连续性倒塌性能分析目前,业内对于钢材锈蚀的检测鉴定方法及其锈蚀规律的研究已较为成熟,针对不同地域空间网格结构开展的锈蚀后节点及杆件的试验研究和有限元模拟也已较多。F.Fu等6通过数值模拟的方法,研究了不同杆件失效和支架倒塌引起的双层网壳结构连续性倒塌的可能性,并提出了提高结构抗连续性倒塌性能的设计建议。2019年,王文斌7基于
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