缺陷敏感结构的失稳监测和稳定控制

缺陷敏感结构的稳定承载力离散性大，发生失稳破坏呈灾变性，影响其可靠性与经济性，是迫切需要解决的问题。本项目针对这类结构开展失稳监测和稳定控制研究，探索及时监控结构稳定临界状态、主动改善结构稳定性能的新理论、新方法和新技术。深入研究结构失稳机理，揭示失稳先兆规律。研制结构失稳传感和控制装置，包括双钢管失稳监控部件，它是内外层有间隙的抑制屈曲支撑耗能减震功能的推广，可实现失稳监测和控制集成化。使可能发生的失稳局限在专门设置的部件中，并且能够传感失稳先兆并发出警报，同时提供足够约束延缓失稳的发展，防止结构发生突然失稳破坏，体现失稳控制设计概念。进行结构稳定控制，控制失稳模态、延缓失稳发展、降低缺陷敏感性。开辟土木工程结构稳定性研究的新方向，促进结构稳定理论、分叉理论、智能结构理论和技术等多学科相互交叉融合。研究工作有前瞻性，有广阔应用前景，对大跨钢网壳等结构稳定设计、监控有应用参考意义。 2100433B

进行钢结构在重力荷载和地震共同作用下的动力失稳实用分析，考虑非均布重力荷载缺陷对结构动力稳定性的不利影响。推广基于结构总能量的动力稳定性实用判别准则：建立结构静力失稳与动力失稳之间的能量关系，在地震激励下当结构振动的总能量超过临界能量时，判别为动力失稳。提出预测动力失稳的实用计算方法，可高效地估算地震作用下钢结构动力失稳的临界加速度。 开展钢结构动力稳定监测和控制研究，探索及时监控结构稳定临界状态、主动改善结构动力稳定性的新理论、新方法和新技术。通过动力稳定监测，实现结构动力失稳的早期识别和预警，预防结构发生突然失稳破坏；通过动力稳定控制，有效地提高结构动力稳定承载力和延性，降低缺陷敏感性，避免失稳突发性。促进新理论、新技术的应用，提高钢结构在灾难性动力荷载下的可靠性。 设计制作了十个稳定监控部件试件，完成了稳定监控部件试件的滞回性能试验。试验结果分析表明，两端刚接的轴压套管构件具有较好的滞回性能；当试件两端铰接时，内核与套管之间的刚性连接有利于试件获得更好的滞回性能。薄膜压力传感器能够有效地捕捉到内核与套管之间的接触。 设计试制了四个新型限制力装置试件，依次完成了先拉后压大位移往复试验、先压后拉大位移往复试验、先压后拉滞回试验和先拉后压滞回试验。试验结果分析表明，新型限制力装置能够提供双向轴力承载力和刚度，限制力由限制力装置最大允许轴向变形确定；有二次拉断失效的特征，其特殊构造具有抗连续倒塌的功效；等效粘滞阻尼系数随着变形增大而增大，骨架曲线为双线性。新型限制力装置可应用于空间网格结构以满足限制力和耗能减震功能要求，也可作为一种新型屈曲约束支撑和耗能减震装置。 2100433B

进行钢结构在重力荷载和地震共同作用下的动力失稳实用分析，强调薄壁截面翘曲效应，重视非均布重力荷载对结构动力稳定性的不利影响。推广基于结构总能量的动力稳定性实用判别准则：建立结构静力失稳与动力失稳之间的能量关系，在地震激励下当结构振动的总能量超过临界能量时，判别为动力失稳。提出预测动力失稳的实用计算方法，可高效地估算地震作用下钢结构动力失稳的临界加速度。总结结构动力失稳破坏的形式和特征，提出改善、提高结构动力稳定性的措施和防止发生动力失稳破坏的对策。进一步开展钢结构动力稳定监测和控制研究，探索及时监控结构稳定临界状态、主动改善结构动力稳定性的新理论、新方法和新技术。通过动力稳定监测，实现结构动力失稳的早期识别和预警，预防结构发生突然失稳破坏；通过动力稳定控制，有效地提高结构动力稳定承载力和延性，降低缺陷敏感性，避免失稳突发性。促进新理论、新技术的应用，提高钢结构在灾难性动力荷载下的可靠性。

结构的失稳现象可分为两类。图4所示的失稳现象，常称为丧失第一类稳定性，或称为分支点失稳。例如图4(a)所示的悬臂杆，当F₁Cr时，仅有与承受轴向压力相应的轴向变形产生；但当F₂=F_Cr时[见图4(b)]，除产生与受压相应的轴向变形外，还将产生与受弯相应的弯曲变形。因此，在内力和变形的性质上都起了质变。

第一类稳定性也可以这样来进行描述：当FCr时，悬臂杆一直保持只受轴力的直线平衡形式[见图3(a)]；当F=F_Cr时，出现了平衡分支现象，即悬臂杆既可以保持原来只受轴力的直线平衡形式，也可以有一个新的不定幅值的同时受压和受弯的弯曲平衡形式[见图4(b)]，其中，y_max为悬臂杆的顶点水平位移。这一特性标志着当F=F_Cr时出现了临界平衡状态，它是处在由稳定平衡向不稳定平衡过渡的临界点上。

丧失第一类稳定的现象，在其他结构中同样也可出现。例如，图5(a)所示为在静水压力作用下处于轴心受压状态的圆拱。当水压力q小于其临界值q_Cr时，它维持圆形的平衡形式。当q达到q_Cr时，这种变形形式就成为不稳定的，由于某种扰动，即可能出现一种新的类似波浪形的变形形式，如图5中虚线所示。对于图5(b)所示的平面刚架，当荷载FCr时，刚架柱处于轴心受压状态而只有压缩变形；当荷载F=F_Cr时，刚架原来的平衡状态变成不稳定的，由于某种扰动，即将出现如图5中虚线所示的变形形式。由上可知，对于丧失轴心受压的稳定，其特点是体系的变形形式发生质的变化，出现了具有压缩和弯曲两种变形的形式。

图6(a)所示的薄壁工字梁，当荷载FCr时，梁在荷载作用的竖向平面内发生弯曲变形，即保持平面弯曲的平衡形式。当荷载F=F_Cr时，平面弯曲形式的平衡成为不稳定的，此时梁可能出现一种新的平衡形式：梁将偏离原来荷载作用的平面而发生斜弯曲和扭转，如图6中实线所示，即丧失了平面弯曲形式的稳定。再如承受静水压力作用的圆环[见图6(b)]，当荷载q未抵达临界值q_Cr前，结构中仅承受轴向压力，将保持原有结构形状上的稳定平衡，当荷载q抵达临界值q_Cr时，原有结构的平衡形式将成为不稳定的，将出现如图6中虚线所示的平衡形式。

综上所述可知，丧失第一类稳定性的特征：结构的变形产生了性质上的突变。即原来的平衡形式成为不稳定的，而可能出现新的与原来平衡形式有质的区别的平衡形式，同时，这种现象是带有突然性的。

除上述丧失第一类稳定性的情况外，尚有丧失第二类稳定性的情况，这是两种性质不一样的稳定性概念。这类丧失稳定的特征是结构原来的变形将大大发展，而不会出现新的变形形式。即结构的平衡形式并不发生质变，但由于变形的增大，结构将不能正常工作。例如，图7(a)所示为两端铰支承受偏心压力F的直杆，当杆件开始受力时即同时处于受压和受弯状态，并伴生了挠度。荷载与挠度之间的关系如图8所示。当FCr时，若不继续增大荷载，则杆件的挠度也不增加。但当F值抵达F_Cr后，即使不再继续增加荷载甚至减小荷载，挠度仍将继续增大，称这种现象为丧失第二类稳定性。加载至极值点A时的荷载值F_Cr即为丧失第二类稳定性的临界荷载。因此，又把丧失第二类稳定性称为极值点失稳，显然，它与丧失第一类稳定性相比具有不同的概念。图7(b)所示为承受横向荷载F₁（假定F₁保持常量）同时承受压力F作用的压弯杆件，失稳时也有类似于偏心压杆的特征。

综上所述，丧失第二类稳定性的特点为：平衡形式并不发生质的变化，随着荷载F的逐渐增加，变形仅以量变的形式迅速增长，最后使结构丧失承载能力。

丧失第二类稳定性时的临界值实际上要低于丧失第一类稳定性时的临界值，这是因为杆件在偏心受压或压弯的情况下，随着荷载F的不断增加，截面的边缘纤维应力将首先抵达屈服极限，引起局部的塑性变形，使截面进入弹塑性阶段的工作状态，而塑性变形扩展的结果，就导致杆件承载能力的降低。

作用于结构上的荷载，一般并非都使杆件产生轴向受压，例如，受压弯作用的刚架柱、压力曲线不与拱轴相重合的各类拱结构、非理想桁架中的某些杆件等。因此，工程中的稳定问题实际上均属于第二类稳定性问题。研究第二类稳定性要涉及多种因素的影响，首先荷载一位移关系是几何非线性的，其次有时还要考虑到材料的非线性性质。因此，它比第一类稳定要复杂得多。为了计算简便起见，可针对结构的荷载作用方式作某些简化假定，将第二类稳定化为第一类稳定来处理，并通过某些系数反映两类稳定问题之间的差别。

对于工程结构来说，丧失上述两类稳定性都是不能允许的。 2100433B