张弦梁结构的地震易损性分析研究

发布时间：2020-08-03 14:21

【摘要】：在我国开展有关基于性能的地震易损性的研究与应用起步相对较晚,且对象与取得的成果主要集中在钢筋混凝土结构和钢框架结构中,将其应用于张弦梁结构则相对很少,尤其是轮辐式张弦梁整体结构的易损性研究更是很少见于文献。在以往张弦梁结构地震响应分析中,主要考察结构位移和内力的发展,以此对结构进行动力稳定性分析和抗震能力分析,这往往会低估结构的塑性耗能,高估结构抗倒塌能力,存在一定的安全隐患。本文以东南大学九龙湖校区体育馆异形钢柱支撑的轮辐式张弦梁结构为工程背景,对该类张弦梁结构在地震作用下的延性位移、塑性耗能、动力失效模式、损伤状态、损伤指标和易损性进行了深入的研究,实现了张弦梁结构综合考察延性位移和塑性耗能的非线性增量动力时程分析(IDA),提出了能够合理表征张弦梁结构损伤状态的损伤指标和划分标准,发展了一套有效的针对张弦梁结构地震易损性分析的方法,论文主要包含以下五个方面的工作:(1)采用有限元软件ANSYS建立了异形钢柱支撑的轮辐式张弦梁结构计算模型。对比分析了现场监测结果和有限元张拉分析结果,包含中央刚性环的竖向位移,外环梁径向总收缩值,多次张拉过程中索力值等方面,证明了数值分析的可靠性,也验证了张弦梁结构模型的精确性。(2)提出了一种适用于张弦梁结构的“改进的多重响应的全荷载域动力时程分析方法”,在此方法的基础上,提出了基于特征响应的张弦梁结构动力失效模式的判别准则。选择两条地震波对张弦梁结构进行了非线性增量动力时程分析,考察了结构的最大节点位移,上弦构件、撑杆和拉索三种不同构件的不同屈服程度杆件比例,特征节点的位移时程曲线三者的相关性,研究了两条地震波作用下张弦梁结构的失效模式。从设防水准、性能水准、性能目标三个方面对比分析中国和国外有关基于性能抗震设计规范的相同和区别。基于已有关于性能的文献和大跨结构的性能分析,提出了适合张弦梁结构损伤状态的定性划分标准,结合两条地震波作用下的特征响应,对定性划分标准进行了量化。(3)考虑结构和地震动的不确定性对结构抗震性能的影响,采用拉丁超立方抽样方法,获得了多组结构-地震动样本对,对每个样本对进行非线性增量动力时程分析,获得所有样本对在不同强度地震作用下的特征响应。根据失效极限时刻的特征响应,拟合出了损伤指数用以描述张弦梁结构的损伤程度,将所有样本对在不同强度地震作用下的特征响应与损伤指数进行对比分析验证了损伤指数的准确性,并提出了基于损伤指数的的划分标准。统计分析四个极限状态下损伤指数的限值所对应的特征响应,证明了选取的界限值的合理性。(4)分析了各荷载工况下,初始预应力变化时结构的变形和内力,依据合理初始预应力的确定准则,确定了最优初始预应力值和合理初始预应力的范围。采用基于概率统计的理论分析方法,绘制不同初始预应力的地震易损性曲线,研究合理初始预应力范围内,在给定地震动强度的前提下,初始预应力对结构地震易损性的影响。研究设防烈度为7度的不同初始预应力的结构分别处于设防烈度为6度、7度、8度、9度地区时,结构的抗震性能。(5)综合分析了我国关于锈蚀的相关规定,确定了结构的起锈时间和锈蚀速率。分析了已有文献关于钢材锈蚀的退化规律,选取了适合本结构的考虑锈蚀的本构模型。从考察延性位移和塑性耗能的角度研究了不同服役龄期的结构刚度的退化规律。运用考虑时间的地震易损性的理论,绘制了不同服役龄期的地震易损性曲线,为结构的抗震安全评估,后期鉴定加固,提供参考依据。研究设防烈度为7度的不同服役龄期的结构分别处于设防烈度为6度、7度、8度、9度地区时,结构的抗震性能。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU352.11
【图文】：

示意图,张弦梁结构,示意图

第一章绪论3图1.1 张弦梁结构示意图1.2.2 张弦梁结构研究现状M.Saitoh[12]首次从概念上阐述了张弦梁结构的受力机理，并对张弦梁结构进行了一系列的分析研究，包含：对张弦梁进行了线性分析[13]，对张弦梁结构下弦拉索进行张力控制分析，对索施加预应力进行详尽的计算分析[14]，分析下弦索预应力对张弦梁结构自振频率的影响[15]，研究了张弦梁结构实际工程施工步骤及索预应力施加方法，对夹持式索杆限位节点进行了试验研究，研究各个设计参数对张弦梁结构性能的影响，应用模态扩展方法对结构进行在横向自由振动下的数值分析和实例研究分析[16]。通过这些分析

三维图,整体效果,体育馆,张弦梁

东南大学博士学位论文20图2.2 九龙湖体育馆整体效果图图2.3 九龙湖体育馆整体结构三维图（1）张弦梁结构在上部钢屋盖中，长轴投影跨度为 88.0m，短轴投影跨度为 76.8m。外轮廓近似椭圆，由四个圆弧段构成。各榀张弦梁绕水平投影面的中心呈放射状布置，如图 2.4 所示。为了保证张弦梁平面外的稳定性张弦梁的上弦设置 4 道环向支撑，如图 2.5 所示。张弦梁的下弦拉索呈抛物线形布置，张弦梁和拉索由撑杆连接，张弦梁矢高为 3.00m，垂度为 5.00m，如图 2.6 所示。张弦梁的中心通过刚性环连接

拉索,索力

[132]。图2.13 拉索编号图表2.3 张弦梁分批方案批号每批拉索编号第 1批 1 5 9 13 17 21第 2批 2 6 10 14 18 22第 3批 3 7 11 15 19 23第 4批 4 8 12 16 20 242.2.3 拉索张拉监测准备在现场拉索张拉施工过程中[133][134]，同时进行了五方面的施工监测，包括：压力传感器索力监测、中央刚性环竖向位移监测、外环梁径向位移监测、平面外频率法索力监测、脱架情况记录。位移采用全站仪进行监测，如图 2.14 所示。索力通过设置在索头的压力传感器来测得，如图 2.15 所示。由于张弦梁结构中较长的主索被腹杆分成了若干索段，而索段的长度短、抗弯刚度不可忽略、边界约束条件复杂，因此同时采用平面外频率法来测定索力，与压力传感器的结果相互校核，如图 2.16 所示。

【参考文献】