空间双层网格结构强震失效机理与隔震研究

发布时间：2019-02-21 19:43

【摘要】：新中国成立以来,伴随着国家经济的腾飞,国内出现越来越多的大跨度空间结构,而空间双层网格结构以其安全性与经济性在空间结构中应用极为广泛。但是,0125年6月01日,芦山发生,7 1级地震,位于Ⅷ度区芦山县城的两座空间双层网格结构发生严重震害,其中芦山中学体育馆网架损毁,现已拆除重建;芦山体育馆网壳发生严重破坏,现已加固。因此对空间双层网格结构抗震性能和失效机制的深入研究是必要的。本文的主要工作如下:首先,依据芦山地震科考对现场的两座空间双层网格结构的震害调查,在综合附近其他类型结构的震害和当地台站记录分布的基础上,指出超越设防的强烈的地震作用是空间双层网格结构发生如此严重破坏的首要原因,空间双层网格结构抗震能力的有限是其在强震作用下发生破坏的内在原因。详细系统地统计总结了空间双层网格结构的震害现象,指出支座失效、杆件屈曲、连接螺栓失效是空间双层网格结构破坏主要特征。其次,使用有限元分析方法对两座空间双层网格结构的震害进行数值模拟,分析结果揭示了空间双层网格结构与下部支撑结构的耦合作用包括加速度放大效应、滤波效应、支座刚度不均匀引起的内力重分布效应以及支座位移输入不协同效应。设计中未考虑这些效应是造成空间双层网格结构发生破坏的又一因素。因而建议在设计分析中采用整体建模方法考虑下部结构与上部结构的耦合效应。此外根据分析中发现的无法考虑杆件动力屈曲的影响而高估网架抗震能力的问题,提出采用考虑杆件动力屈曲的影响的分析建模方法研究空间双层网格结构的抗震能力和研发新型三维隔震支座减小地震作用的方法提高空间双层网格结构在地震作用下的生存能力的研究思路。接着根据现行规范和地震中破坏的空间双层网格结构的基本特征设计了有下部支撑框架的平板网架结构的振动台试验,基本重现了实际震害特征,指出在下部框架结构的放大效应作用下,杆件屈曲引起结构的倒塌是造成网架结构倒塌的失效机制。本文考虑空间双层网格结构杆件动力屈曲本质是轴向压力引起的杆件弯曲效应,提出考虑钢材失效材料模型和初始偏心的曲线多段梁单元建模方法。方法中利用多段梁单元模拟杆件的动力屈曲,曲线形状来模拟杆件自身初始弯曲和节点的初始偏心,与应变率相关的塑性随动材料模型模拟材料在轴向力与弯矩共同作用下的失效。通过杆单元、直线多段梁以及曲线多段梁单元三类3个有限元模型和试验在各工况下的对比结果,发现考虑初始偏心的曲线多段梁单元模型的分析结果误差最小。再将这六种模型应用于震区的实际结构上,经过对比实际震害现象,考虑钢材失效材料模型和初始偏心的曲线多段梁单元模型的模拟结果最为准确。因此建议在进行大震作用下的抗震能力分析时,摒弃杆单元模型,而采用考虑钢材失效材料模型和初始偏心的曲线多段梁单元模型进行模拟。为减小空间双层网格结构的地震作用,设计研发了新型大位移三维隔震支座,通过试验确定了其力学模型和性能参数。并使用虚功原理推导出其正常工作状态下各力学性能参数与构件参数的理论方程,由此方程可获得不同弹簧刚度和几何尺寸条件下的力学性能参数,并与试验进行了对比验证。指出水平刚度参数的影响因素非常复杂,从而提出基于试验数据的半经验半理论的水平刚度与构件参数的理论方程。通过隔震与非隔震的试验对比发现,隔震装置通过牺牲自身的层间变形有效的减小了网架结构的加速度反应,在强震作用下保护了网架结构,在8 91 7:地震动作用下,非隔震试验模型发生倒塌,而隔震模型网架结构未发现任何破坏现象,但隔震支座的变形已经超过设计状态,证实了三维隔震支座的隔震效果。最后为避免非线性分析的复杂性,使得隔震支座能够应用于实践中,提出隔震支座简化的三维线性弹簧模型。通过试验和有限元分析对比,指出受到瑞利阻尼模型与摩擦阻尼实质的差别,以及隔震支座达到限位后力学性能的复杂性的影响,简化的三维支座模型在正常工作状态下分析误差可接受;但在大震作用下,特别是隔震支座发生水平限位碰撞的情况下,误差较大,应当采用基于试验参数的非线性弹簧单元模型进行模拟。
[Abstract]:Since the founding of the new China, with the development of the national economy, there are more and more large-span spatial structures in the country, and the space double-layer grid structure is widely used in the space structure with its security and economy. However, on Jun. 01, 0125, there were serious damage to the two spatial double-layer grid structures in Lushan County, the city of Lushan, which was located in the city of Lushan County of the 鈪，

本文编号：2427831