空間雙層網格結構強震失效機理與隔震研究.pdf

1、新中國成立以來，伴隨著國家經濟的騰飛，國內出現(xiàn)越來越多的大跨度空間結構，而空間雙層網格結構以其安全性與經濟性在空間結構中應用極為廣泛。但是，2013年4月20日，蘆山發(fā)生Ms7.0級地震，位于Ⅷ度區(qū)蘆山縣城的兩座空間雙層網格結構發(fā)生嚴重震害，其中蘆山中學體育館網架損毀，現(xiàn)已拆除重建；蘆山體育館網殼發(fā)生嚴重破壞，現(xiàn)已加固。因此對空間雙層網格結構抗震性能和失效機制的深入研究是必要的。本文的主要工作如下：
　　首先，依據蘆山地震科考對現(xiàn)

2、場的兩座空間雙層網格結構的震害調查，在綜合附近其他類型結構的震害和當?shù)嘏_站記錄分布的基礎上，指出超越設防的強烈的地震作用是空間雙層網格結構發(fā)生如此嚴重破壞的首要原因，空間雙層網格結構抗震能力的有限是其在強震作用下發(fā)生破壞的內在原因。詳細系統(tǒng)地統(tǒng)計總結了空間雙層網格結構的震害現(xiàn)象，指出支座失效、桿件屈曲、連接螺栓失效是空間雙層網格結構破壞主要特征。
　　其次，使用有限元分析方法對兩座空間雙層網格結構的震害進行數(shù)值模擬，分析結果揭示了

3、空間雙層網格結構與下部支撐結構的耦合作用包括加速度放大效應、濾波效應、支座剛度不均勻引起的內力重分布效應以及支座位移輸入不協(xié)同效應。設計中未考慮這些效應是造成空間雙層網格結構發(fā)生破壞的又一因素。因而建議在設計分析中采用整體建模方法考慮下部結構與上部結構的耦合效應。
　　此外根據分析中發(fā)現(xiàn)的無法考慮桿件動力屈曲的影響而高估網架抗震能力的問題，提出采用考慮桿件動力屈曲的影響的分析建模方法研究空間雙層網格結構的抗震能力和研發(fā)新型三維隔震

4、支座減小地震作用的方法提高空間雙層網格結構在地震作用下的生存能力的研究思路。
　　接著根據現(xiàn)行規(guī)范和地震中破壞的空間雙層網格結構的基本特征設計了有下部支撐框架的平板網架結構的振動臺試驗，基本重現(xiàn)了實際震害特征，指出在下部框架結構的放大效應作用下，桿件屈曲引起結構的倒塌是造成網架結構倒塌的失效機制。
　　本文考慮空間雙層網格結構桿件動力屈曲本質是軸向壓力引起的桿件彎曲效應，提出考慮鋼材失效材料模型和初始偏心的曲線多段梁單元建模

5、方法。方法中利用多段梁單元模擬桿件的動力屈曲，曲線形狀來模擬桿件自身初始彎曲和節(jié)點的初始偏心，與應變率相關的塑性隨動材料模型模擬材料在軸向力與彎矩共同作用下的失效。
　　通過桿單元、直線多段梁以及曲線多段梁單元三類6個有限元模型和試驗在各工況下的對比結果，發(fā)現(xiàn)考慮初始偏心的曲線多段梁單元模型的分析結果誤差最小。再將這六種模型應用于震區(qū)的實際結構上，經過對比實際震害現(xiàn)象，考慮鋼材失效材料模型和初始偏心的曲線多段梁單元模型的模擬結果最

6、為準確。因此建議在進行大震作用下的抗震能力分析時，摒棄桿單元模型，而采用考慮鋼材失效材料模型和初始偏心的曲線多段梁單元模型進行模擬。
　　為減小空間雙層網格結構的地震作用，設計研發(fā)了新型大位移三維隔震支座，通過試驗確定了其力學模型和性能參數(shù)。并使用虛功原理推導出其正常工作狀態(tài)下各力學性能參數(shù)與構件參數(shù)的理論方程，由此方程可獲得不同彈簧剛度和幾何尺寸條件下的力學性能參數(shù)，并與試驗進行了對比驗證。指出水平剛度參數(shù)的影響因素非常復雜，從

7、而提出基于試驗數(shù)據的半經驗半理論的水平剛度與構件參數(shù)的理論方程。
　　通過隔震與非隔震的試驗對比發(fā)現(xiàn)，隔震裝置通過犧牲自身的層間變形有效的減小了網架結構的加速度反應，在強震作用下保護了網架結構，在Taft(PGA=0.7g)地震動作用下，非隔震試驗模型發(fā)生倒塌，而隔震模型網架結構未發(fā)現(xiàn)任何破壞現(xiàn)象，但隔震支座的變形已經超過設計狀態(tài)，證實了三維隔震支座的隔震效果。
　　最后為避免非線性分析的復雜性，使得隔震支座能夠應用于實踐中