拱形立体桁架倒塌破坏机理：数值分析与试验研究

发布时间：2017-08-09 20:02

  本文关键词：拱形立体桁架倒塌破坏机理：数值分析与试验研究

  更多相关文章： 拱形立体桁架 倒塌破坏机理 抗倒塌性能 损伤累积 压杆失稳 振动台试验

【摘要】：近年来,大跨度拱形立体桁架结构被广泛应用于体育场馆、交通枢纽、会展中心等大型公共建筑中。大型公共建筑在施工或者正常使用过程中,如遭遇极端天气、地震灾害或发生荷载、环境变化时,可能产生局部或整体结构的倒塌破坏,带来巨大的人员伤亡和财产损失。因此开展该类结构倒塌破坏机理研究和抗倒塌性能的研究,寻求遏制或防止结构发生倒塌破坏的技术措施,具有重要的理论和现实意义。目前针对大跨度拱形立体桁架结构体系的研究只限于静力分析及地震作用下的动力响应分析,而强震作用下该类结构的倒塌破坏机理仍不明确。本文从理论分析、数值模拟和试验研究三个方面对该类结构的倒塌失效机理进行了研究,区分了拱形立体桁架结构在动力荷载作用下的两种失效模式:动力失稳破坏和动力强度破坏,同时分析了不同支撑形式对结构失效模式的影响。通过缩尺模型振动台试验,分析了模型的自振特性及动力响应变化规律,得到了强震作用下拱形立体桁架结构的薄弱位置和倒塌破坏极限位移。第1章介绍了空间结构倒塌破坏的研究现状,归纳了空间结构抗倒塌性能研究方法,总结了空间结构发生倒塌破坏的主要原因和倒塌破坏模式,剖析了网架结构、单层网壳结构和平面桁架结构体系的倒塌失效机制,最后区分了基于结构层次和构件层次的空间结构倒塌破坏评定准则。第2章基于显式积分算法编制了ABAQUS用户材料子程序,考虑了损伤累积效应和杆件失稳后的力学性能,分析了损伤累积效应和压杆失稳对杆件内力和节点位移等结构动力响应的影响。计算结果表明:考虑损伤累积效应使杆件轴向应力减小、轴向应变增大、相邻节点位移增大;考虑压杆失稳使杆件应力减小、应变时程曲线向下偏移,而节点位移幅值变化不大。第3章对大跨度拱形立体桁架在动力荷载作用下的倒塌破坏过程进行了模拟,结果表明:地震作用结束后,主桁架失效位置主要集中于桁架柱身和1/4跨度处的斜腹杆,而主桁架弦杆和纵向桁架杆件均未失效。分析了损伤累积效应和压杆失稳对结构承载力的影响以及不同支撑形式对结构抗倒塌性能的影响。考虑损伤累积效应时,拱形立体桁架结构破坏加速度降低22.3%~46.7%;考虑压杆失稳时,拱形立体桁架结构破坏加速度保持不变。与其他支撑形式相比,采用双十字支撑时,结构仅产生平面内变形,可有效提高拱形立体桁架结构抗平面外倒塌性能。区分了拱形立体桁架结构在动力荷载作用下的两种失效模式:当荷载幅值的微小增量导致结构特征响应异常增大时,认为结构发生动力失稳破坏;若在结构失稳倒塌前,塑性发展深入,特征响应已达到规定限值,则认为结构发生动力强度破坏。第4章介绍了拱形立体桁架结构振动台试验,得到了拱形立体桁架结构在强震动下的动力响应规律和破坏模式。试验结束后,试验模型X向和Z向等效刚度下降50%,而Y向等效刚度仅下降12.9%。地震波向模型顶部传播过程中,地震响应逐渐放大。当人工波加速度幅值达到0.8g时,测点位移幅值迅速增加,结构刚度退化明显,主桁架斜腹杆大量屈曲。当地震波加速度峰值达到1.0g时,结构产生平面内反对称变形,刚度下降50%,丧失承载力。第5章将振动台试验结果和静力弹塑性分析方法得到的拱形立体桁架结构塑性铰分布区域以及IDA法得到的结构倒塌破坏极限状态点进行比较,验证了本文计算结果的正确性,并确定了强震作用下拱形立体桁架结构的薄弱位置和倒塌破坏极限位移:在竖向地震作用下,结构的薄弱位置主要位于跨中;在横向地震作用下结构薄弱位置主要位于桁架柱身;考虑压杆失稳时,1/4跨度处长细比较大的斜腹杆也将发生失稳破坏。在竖向地震作用下拱形立体桁架结构倒塌破坏极限位移可取结构跨度的1/180;水平倒塌破坏极限位移可取结构总高度的1/110或柱高的1/30。第6章为本文的主要结论和展望。
【关键词】：拱形立体桁架 倒塌破坏机理 抗倒塌性能 损伤累积 压杆失稳 振动台试验
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU323.4;TU312.3
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-36
• 1.1 选题背景及研究意义12-18
• 1.1.1 空间管桁架结构的工程应用12-14
• 1.1.2 拱形立体桁架结构的工程应用14-16
• 1.1.3 大跨空间结构倒塌事故16-18
• 1.2 空间结构倒塌破坏研究现状18-23
• 1.2.1 理论分析18-20
• 1.2.2 倒塌评定及设计方法20-21
• 1.2.3 数值模拟及试验研究21-23
• 1.3 空间结构倒塌破坏机理23-32
• 1.3.1 空间结构倒塌破坏原因23
• 1.3.2 空间结构倒塌破坏类型23-24
• 1.3.3 空间结构倒塌破坏机制24-26
• 1.3.4 空间结构倒塌判定准则26-32
• 1.4 本文主要研究内容32-36
• 1.4.1 研究思路32-33
• 1.4.2 主要研究内容33-34
• 1.4.3 主要创新点34-36
• 第二章 基于自定义钢材本构模型的动力弹塑性分析36-62
• 2.1 动力非线性有限元计算原理36-38
• 2.1.1 隐式积分算法36-37
• 2.1.2 显式积分算法37-38
• 2.2 自定义钢材本构模型38-50
• 2.2.1 塑性理论基础38-43
• 2.2.2 损伤演化及断裂准则43
• 2.2.3 考虑杆件屈曲的计算模型43-44
• 2.2.4 用户材料子程序调用44-46
• 2.2.5 子程序验证46-50
• 2.3 拱形立体桁架结构动力弹塑性分析50-61
• 2.3.1 计算模型及分析方法50-52
• 2.3.2 损伤累积效应对结构内力的影响52-56
• 2.3.3 压杆失稳对结构内力的影响56-58
• 2.3.4 节点位移响应分析58-61
• 2.4 本章小结61-62
• 第三章 动力荷载作用下拱形立体桁架结构失效机理62-84
• 3.1 拱形立体桁架倒塌破坏过程模拟62-69
• 3.1.1 自振特性分析62-63
• 3.1.2 三向输入天津波作用下结构连续倒塌过程分析63-66
• 3.1.3 三向输入El Centro波作用下结构连续倒塌过程分析66-69
• 3.2 拱形立体桁架倒塌失效机理69-77
• 3.2.1 动力失稳和强度破坏判别准则69-71
• 3.2.2 水平简谐荷载作用71-73
• 3.2.3 竖向简谐荷载作用73-74
• 3.2.4 三向输入天津波作用74-75
• 3.2.5 三向输入El Centro波作用75-77
• 3.3 拱形立体桁架结构承载力影响因素77-81
• 3.3.1 损伤累积效应对结构承载力的影响77-79
• 3.3.2 压杆失稳对结构承载力的影响79-81
• 3.4 支撑形式对结构破坏模式的影响81-83
• 3.5 本章小结83-84
• 第四章 拱形立体桁架结构振动台试验研究84-117
• 4.1 试验方案84-96
• 4.1.1 模型设计84-88
• 4.1.2 试验模型有限元分析88-91
• 4.1.3 测点布置及试验工况91-96
• 4.2 试验结果分析96-108
• 4.2.1 结构自振特性分析96-99
• 4.2.2 加速度响应分析99-103
• 4.2.3 位移响应分析103-106
• 4.2.4 杆件应变响应分析106-107
• 4.2.5 试验现象107-108
• 4.3 数值分析结果与试验结果比较108-115
• 4.3.1 数值模型的建立108-109
• 4.3.2 加速度响应对比109-111
• 4.3.3 位移响应对比111-113
• 4.3.4 应变响应对比113-114
• 4.3.5 破坏荷载及破坏形式114-115
• 4.4 本章小结115-117
• 第五章 拱形立体桁架结构倒塌破坏特征响应分析117-126
• 5.1 推倒分析方法117-119
• 5.1.1 能力谱法计算过程117-118
• 5.1.2 模态推倒法计算过程118-119
• 5.2 拱形立体桁架结构薄弱位置分布119-123
• 5.2.1 竖向地震作用下薄弱位置分布119-121
• 5.2.2 横向地震作用下薄弱位置分布121-122
• 5.2.3 与试验结果的比较122-123
• 5.3 拱形立体桁架结构倒塌破坏极限位移123-125
• 5.3.1 拱形立体桁架结构倒塌破坏临界状态123-124
• 5.3.2 与试验结果的比较124-125
• 5.4 本章小结125-126
• 第六章 结论与展望126-129
• 6.1 结论126-128
• 6.2 展望128-129
• 参考文献129-136
• 发表论文和参加科研情况说明136-137
• 致谢137-138

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