基于构形易损性理论的球壳结构倒塌机理研究及倒塌模式优化

作     者：刘文政 

作者单位：东南大学 

学位级别：博士

导师姓名：叶继红

授予年度：2013年

学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：单层球面网壳 构形易损性理论 倒塌机理 遗传-模拟退火混合算法 倒塌模式优化 破坏机理 地震作用 

摘      要：单层网壳结构在地震作用下的倒塌模式及破坏机理研究是目前土木工程领域重要的研究课题之一，如何揭示单层网壳结构在地震作用下的倒塌机理，并对倒塌模式进行优化（控制），防止此类结构在强震作用下发生突然的局部倒塌破坏或整体倒塌破坏具有重要的理论意义和工程价值。单层网壳属于高次超静定结构，其自振频率密集，各振型耦合严重，与高层结构的动力特性有很大的差别，而地震作用亦具有很强的随机性，导致网壳结构的破坏机理复杂，因此对这类结构在地震作用下倒塌机理研究和倒塌模式优化（控制）具有较大难度。\n 针对上述问题，本文从结构拓扑关系入手，将构形易损性理论应用于单层球面网壳结构，从全新的角度剖析其倒塌破坏机理，进而发现结构固有特性和倒塌模式之间的规律;然后通过建立优化模型和构造遗传-模拟退火优化算法(GASA)，实现对单层球面网壳结构在地震作用下倒塌模式优化（控制）。\n 构形易损性理论是基于构形度等凝聚原则，通过凝聚过程建立结构拓扑关系层级模型;通过拆解过程，识别结构具有易损性的破坏模式。由于分析过程仅涉及到外部作用对结构造成的损伤及损伤引起的后果，而与作用或荷载的具体形式无关，因此其分析结果具有普适性。本文以双杆结构为例，对构形度的物理意义进行了深入研究。采用C++语言编制构形易损性分析程序，通过平面桁架、平面刚架及单层网壳结构，验证了构形易损性理论用于分析杆系结构拓扑关系的合理性和可行性。\n 将构形易损性理论用于分析单层球面网壳结构倒塌机理。通过对比三个单层球壳缩尺模型的构形易损性分析结果和振动台试验结果，从结构拓扑关系层面揭示了单层球壳结构在强震作用下呈现不同倒塌破坏特征的内在机理，即结构簇构形度与倒塌模式密切相关:构形度变化均匀，则结构整体刚度均匀，在强震作用下易出现强度破坏倒塌模式;构形度变化不均匀，则结构存在薄弱区域，在强震作用下易出现动力失稳倒塌模式。\n 基于单层球壳结构在强震下的倒塌破坏机理，以自由簇构形度的标准差最小为优化目标，建立了单层球壳结构倒塌模式优化模型。针对遗传算法(GA)和模拟退火算法(SA)各自的优缺点，将二者相结合，基于广义邻域搜索算法的统一结构构造出遗传-模拟退火算法(GASA)。采用C++语言编制GASA算法程序，通过三个经典函数算例表明，GASA算法具有优化性能良好、优化效率高及稳定性好等优点。采用以构形度标准差最小为优化目标的优化模型和GASA优化算法程序，首先对发生动力失稳的试验模型进行了局部优化和整体优化，然后对一个70m跨度的单层球壳结构进行了局部优化。优化结果表明:以构形度为优化目标的优化模型能够对结构中存在的薄弱区域予以加强，使结构整体刚度分布更加均匀，在地震作用下其延性和耗能能力得到明显提高。\n 基于单层球壳结构在强震下的倒塌破坏机理，将自由簇构形度标准差作为约束条件，以结构质量最轻为优化目标，建立了单层球壳结构倒塌模式优化模型。采用APDL语言编写单层球壳结构ANSYS有限元分析程序，并与GASA算法的C++程序相结合，得到GASA-ANSYS优化程序。GASA-ANSYS优化程序具有开放性、可移植性和易操作性等优点。采用GASA-ANSYS优化程序对跨度为70m的单层球壳结构分别进行了截面尺寸优化和网格拓扑优化。优化结果表明:与优化前相比，优化后的结构重量明显减小，且优化后的结构既满足规范（规程）要求，同时在强震作用下的倒塌模式呈现出理想的、有征兆的强度破坏。