張弦結構的抗連續(xù)倒塌研究.pdf

1、張弦結構是一種新型的大跨空間結構，本文通過對張弦結構抗連續(xù)倒塌的研究，以達到認識和提高預應力空間結構的抗連續(xù)倒塌能力，為大跨空間結構的抗連續(xù)倒塌設計提供理論和技術支持。
　　 抗連續(xù)倒塌的設計方法通常采用變換荷載路徑法（簡稱AP法），其首要內(nèi)容是確定結構的移除構件和它的幾何位置?，F(xiàn)有的抗連續(xù)性倒塌設計規(guī)范中僅規(guī)定了框架結構的移除構件選擇方法。大跨空間結構形式多樣，體系復雜，桿件眾多，有多種荷載傳遞路徑和失效模式，不易判斷關鍵構件

2、，如采用AP法對每根桿件移除進行殘余結構的承載力計算會導致工作量非常大。因此，找尋一種簡便、快捷、可靠的結構移除構件判斷方法是非常有必要的。本文在P.C.Pandey等提出的基于敏感性分析方法的基礎上，根據(jù)大跨空間結構的受力特性和荷載特點，提出基于頻率靈敏度的對稱分組方法來判斷大跨空間結構的關鍵構件，不僅概念清晰，而且簡單易行。并通過對張弦桁架各類構件分組后進行殘余結構的極限承載力分析，得出張弦結構的關鍵構件分布規(guī)律:支座→索→支座處的

3、桁架下弦→跨中部分的上弦構件。
　　 空間結構連續(xù)倒塌分析不僅要考慮構件的強度和穩(wěn)定，還要考慮結構整體失穩(wěn)的影響。當采用有限元軟件進行連續(xù)倒塌分析時，能考慮構件的局部穩(wěn)定和結構的整體失穩(wěn)，但不能考慮構件或結構的初始缺陷。桿件的初始缺陷包括桿件初始撓曲、初始偏心和殘余應力等，可按照《鋼結構設計規(guī)范》相關規(guī)定考慮;結構的整體初始缺陷可采用一致缺陷模態(tài)法考慮整體節(jié)點偏差。由于并不是所有的空間結構都需要考慮整體初始缺陷，故采用彈性支承連

4、續(xù)拱模型對張弦結構進行參數(shù)化分析，得到張弦結構上弦的矢跨比小于0.05時，進行連續(xù)倒塌分析時可以不用考慮整體初始缺陷;大于0.05時，應考慮整體初始缺陷。并根據(jù)桿件單元、桿件荷載-位移曲線、倒塌失效模式、空間結構失效破壞準則等一系列假定，在通用有限元軟件ANSYS上二次開發(fā)，模擬空間結構連續(xù)倒塌的全過程。最后通過程序編制和算例分析提出空間結構靜力仿真分析的計算流程，為空間結構抗連續(xù)倒塌設計提供依據(jù)。
　　 張弦結構的下弦拉索，與

5、剛性構件不同，具有高應力、只能受拉不能受壓等特點。而且撐桿與上弦和索的連接均為鉸接。當拉索的任一截面失效，拉索將迅速釋放應變能，整個拉索完全失效，而拉索失效又將導致所有撐桿跟著轉動而失效。因此，拉索失效的模擬方法是研究張弦結構連續(xù)倒塌的重點。本文提出采用預應力等效荷載法模擬張弦結構的拉索失效，即同時移除索和撐桿，把索和撐桿的反力作用于上弦，對上弦進行該等效荷載在很短時間內(nèi)變?yōu)榱愕乃矐B(tài)動力時程分析。首先采用基于瑞利-里茲法推導預應力張弦結

6、構的豎向剛度和索的應變能，得出下弦拉索中的彈性應變能很大，可能會對預應力等效荷載法的準確性產(chǎn)生影響;而張弦結構豎向剛度較大，幾何非線性和應力剛化對該方法的準確性影響較小。并通過預應力等效荷載法與顯式計算結果的分析比較進一步證明索中蘊藏巨大的彈性應變能，當索破壞時，索向兩端快速回彈，帶動撐桿，會對上弦的破壞起到加速作用。但由于這種作用是有限的，故可采用預應力等效荷載法來模擬張弦結構下弦索的失效。
　　 通過撐桿失效對張弦結構各部分

7、力學性能影響的分析，得出撐桿失效會導致索松弛，從而引起預應力損失，但由于預應力大小對張弦結構的極限承載力影響較小，且撐桿破壞引起的索力變化很小，故撐桿破壞導致索松弛對連續(xù)倒塌的不利影響可以忽略不計;撐桿破壞會導致矢高降低，是影響整體剛度降低的主要因素，根據(jù)張弦結構的構成特征，得出整體剛度的降低值一般不會超過15％，撐桿失效導致結構整體破壞的概率很小;撐桿失效對張弦結構的影響主要是導致剩余撐桿內(nèi)力增加和撐桿失效處上弦局部剛度降低，從而發(fā)生

8、撐桿接連失效的連續(xù)倒塌或上弦局部破壞的倒塌。根據(jù)張弦結構的受力特點，假定張弦結構為兩端受有集中力的彈性連續(xù)梁進行分析，得到防止張弦結構發(fā)生上弦局部破壞和撐桿連鎖破壞的充分條件。最后通過對多種張弦結構模型撐桿失效的參數(shù)化分析，證明了理論推導的正確性，并總結出張弦結構抗連續(xù)倒塌時，完整結構的相鄰撐桿之間上弦的跨高比宜控制在10以內(nèi);撐桿長細比應控制在100以內(nèi)。
　　 空間結構整體剛度較低，桿件失效后剩余結構容易出現(xiàn)塑性。塑性化程度

9、對動力放大系數(shù)影響較大，使得動力放大系數(shù)具有不確定性。一方面由于剩余結構屈服后的塑性化程度與需求能力比DCR有關，另一方面由于空間結構常以桿件的應力比值作為設計的控制指標，且桿件平均應力的大小能直觀的反映DCR的大小。故提出采用應力比值法研究張弦結構的動力放大系數(shù)，其方法為:在設計荷載組合下控制結構不同的平均應力比值，得到不同構件截面大小的結構模型，然后對這些模型進行動力放大系數(shù)的分析;選取(LD+0.25 LL)和(1.2LD+1.4

10、LL)區(qū)間內(nèi)的不同值作為外荷載，以反映荷載大小對動力放大系數(shù)的影響。另外，當構件失效后，如果剩余結構進入塑性狀態(tài)，在靜力荷載增加不大的情況下，可能導致位移增加很多。為了充分研究動力放大響應，定義了兩種動力放大系數(shù):位移動力放大系數(shù)DIF和荷載動力放大系數(shù)β，并通過對這兩種動力放大系數(shù)的分析得到張弦結構動力放大系數(shù)的建議值。
　　 結合天津梅江會展中心張弦結構的抗連續(xù)倒塌設計，探討大跨空間結構抗連續(xù)倒塌的設計方法，提出以下張弦結構

11、抗連續(xù)倒塌的措施:(1)縱向聯(lián)系構件把張弦結構組裝成一整體，可以明顯增加張弦結構的抗倒塌能力;(2)充分利用山墻方向的抗風柱，使其不僅承擔水平風荷載，還承擔豎向荷載，可大幅度提高排架結構的抗連續(xù)倒塌能力;(3)采用雙索布置能大大加強張弦結構的抗連續(xù)倒塌能力，并提出豎向平面內(nèi)布置雙索，可較好的解決平行布置雙索中某根索破壞后引起偏心扭轉的不利影響;(4)要保證張弦結構連續(xù)倒塌的延性破壞不僅要保證完整結構為延性結構，而且保證某處截面削弱或破壞