基于能量的網(wǎng)殼結構地震響應及失效準則研究.pdf

1、目前網(wǎng)殼結構動力失效準則多以工程經(jīng)驗為主，判斷不同類型網(wǎng)殼的動力失效荷載需要用不同的失效荷載計算公式，且對于弦支穹頂結構或多層網(wǎng)殼結構等沒有與之對應的動力失效準則；此外，目前研究中，網(wǎng)殼結構數(shù)值模擬缺少實驗驗證，即需要精細化模型的動力實驗分析。這是兩個重要且亟待解決的問題，直接關系到網(wǎng)殼結構的發(fā)展。然而，對這兩個問題研究進展緩慢，原因之一是傳統(tǒng)的機理性分析方法應對這兩個問題存在瓶頸，應考慮經(jīng)驗性與機理性分析方法的聯(lián)合應用，探索未知的規(guī)律

2、性，進而尋求解決這兩個問題的方法。因此，本文在結構受力狀態(tài)等新概念導引下，開展了基于能量的網(wǎng)殼結構地震響應分析方法研究，并對有限元計算程序和本文所揭示的結構反應的特征點進行了實驗驗證。
　　為了考察網(wǎng)殼結構在地震荷載作用下的響應特征、驗證本文編制的有限元程序的正確性及本文提出失效準則的有效性，設計并制作了兩個跨度為0.5m、矢跨比為1/3的膠結裝配式K6型網(wǎng)殼模型，進行了振動臺實驗。實驗中對表征網(wǎng)殼模型動力特性的主要參數(shù)，通過敲擊

3、試驗分析，得到了結構阻尼比和前五階自振頻率；在網(wǎng)殼模型地震響應實驗過程中，對網(wǎng)殼模型輸入頻率9.6Hz不同幅值的簡諧荷載，測得桿件應變和典型節(jié)點位移值。進而，該模型的動力響應與相應有限元模擬結果進行了對比，驗證了有限元程序的可靠性。
　　為展示網(wǎng)殼結構在動力荷載作用下的失效情況及現(xiàn)有分析方法的優(yōu)缺點，本文在有限元程序得到K6網(wǎng)殼模型振動臺實驗驗證之后，建立了三類典型構造的大跨度網(wǎng)殼結構（單層球面網(wǎng)殼、單層柱面網(wǎng)殼和弦支穹頂結構）有

4、限元模型，對上述網(wǎng)殼模型進行不同動力荷載作用下的全荷載域動力時程分析。分析內(nèi)容包括：
　?。?）TAFT地震波作用下各類網(wǎng)殼結構的塑性發(fā)展深度和結構變形、是否為動力強度破壞還是失穩(wěn)破壞；同樣，考察了簡諧荷載作用下各類網(wǎng)殼的失效由動力失穩(wěn)引起，還是動力強度破壞導致。
　?。?）對于動力強度破壞，是否能從最大節(jié)點位移與加速度峰值間的關系曲線上找到判斷結構失效的方法。
　　（3）能否有簡便的方法分析網(wǎng)殼結構動力響應，因為現(xiàn)有

5、的網(wǎng)殼全荷載域動力時程分析方法計算過程復雜、后處理非常耗時。
　　為合理地選擇判斷結構失效準則的參數(shù)，本文從機理性分析方法計算的應變能密度出發(fā)，采用經(jīng)驗性分析方法對計算數(shù)據(jù)進行分析，探索結構的反應特征。首先，對單集中質(zhì)量體系和超靜定結構體系分別輸入TAFT波和簡諧波，應用有限元程序進行全荷載域動力時程分析、提取變形能和動能，計算總輸入能量及阻尼耗能并繪制五種能量關系曲線。然后，通過這些關系曲線，觀察各種形式地震動荷載下，結構失效時

6、該結構體系的總應變能的變化趨勢性和敏感性；在此基礎上，提出了基于應變能密度的結構受力狀態(tài)、工作狀態(tài)和失效狀態(tài)的概念和描述，考察了以節(jié)點位移、單元應力、單元指數(shù)應變能密度所描述的結構受力狀態(tài)模式，隨加速度峰值變化的情況，確認與結構整體受力狀態(tài)相對應的特征參數(shù)，以及結構工作狀態(tài)和失效狀態(tài)的區(qū)別。最后，以跨度為40米，矢跨比為1/7的K8型網(wǎng)殼（D40207）為例，輸入水平向頻率為5Hz簡諧荷載和TAFT波，進行了不同類型單元間的受力狀態(tài)分析

7、，考察了網(wǎng)殼結構內(nèi)部單元間應變能的調(diào)節(jié)性，以及網(wǎng)殼結構穩(wěn)定的整體工作狀態(tài)。此外，還考察了水平向簡諧荷載和三向TAFT波作用下單層網(wǎng)殼的薄弱位置。
　　以上研究結果，初步顯現(xiàn)了結構動力響應的特征，為更清晰地展示這種特征，本文進行了結構指數(shù)應變能密度（ESED）推導，考察了結構指數(shù)應變能密度和值Id與地面運動加速度峰值A的關系曲線，揭示了普遍存在的、可以區(qū)分結構工作狀態(tài)和失效狀態(tài)的特征界點。進而，基于這樣的特征點，建立了結構失效判斷準

8、則，并通過不同地震荷載作用下、不同構造網(wǎng)殼的失效算例驗證了新準則的有效性。其次，將實驗過程中所采集的動應變處理成指數(shù)應變能密度并繪制Id-A曲線，以實驗數(shù)據(jù)驗證結構失效時該曲線上存在的特征點，進一步驗證基于指數(shù)應變能密度的結構失效判斷準則的正確性。最后，對新的網(wǎng)殼結構失效準則進行討論，如失效與失穩(wěn)和倒塌的區(qū)別、結構幾何非線性對失效的影響、構造與承載力的關系及失效準則的統(tǒng)一性等，并與現(xiàn)有的失效準則進行了對比分析。
　　為了提高網(wǎng)殼結