大跨空間結構地震整體損傷與倒塌安全儲備.pdf

1、近年來地震災害的頻繁發(fā)生造成大量基礎設施和民用建筑倒塌，使得人們更加關注結構體系的抗震性能問題。大跨空間結構由于其跨越大跨度空間的優(yōu)異能力和良好的建筑功能特性，在交通、文化、體育等行業(yè)建筑中得到了廣泛的工程應用，且在地震發(fā)生時往往作為緊急避難場所。有必要對該結構類型的地震損傷演化和抗地震倒塌能力進行深入研究，這對大跨空間結構抗震設計方法的不斷完善和發(fā)展，以及既有大跨結構的加固等都將起到一定指導作用。大跨空間結構又是對外形變化敏感的結構，

2、初始缺陷將會對其抗震性能產(chǎn)生很大影響，甚至影響其強震下的失效模式，如何結合建議損傷模型去判別大跨空間結構失效模式并評估初始缺陷的影響是很重要的問題。針對上述問題，本文做了如下工作:
　　(1)針對大跨空間網(wǎng)殼結構，本文提出了一種具有一定物理含義的宏觀整體地震損傷模型。定義模態(tài)損傷為結構在地震前后狀態(tài)下產(chǎn)生相同增量振型位移所能儲存能量大小的損失比重，以基于模態(tài)損傷獨立性假定的H組合方式組合多階模態(tài)損傷得到了整體多模態(tài)損傷模型。最小組

3、合項數(shù)以最大節(jié)點位移作為關鍵反應量來確定，并運用線性模態(tài)置信準則(LMAC)考慮網(wǎng)殼結構中普遍存在的模態(tài)躍遷現(xiàn)象。算例分析表明，通過建議地震整體損傷模型得到的整體損傷發(fā)展規(guī)律和最大節(jié)點位移曲線保持較好地一致性，且當足夠多的模態(tài)損傷考慮進來時，整體損傷指數(shù)曲線呈現(xiàn)典型五階段S型發(fā)展規(guī)律。某種程度上，建議損傷模型可以認為是FS模型的一種延伸拓展。
　　(2)通過多模態(tài)整體損傷模型對網(wǎng)殼結構初始缺陷損傷進行了定量評估，發(fā)現(xiàn)初始缺陷損傷具

4、有顯著多模態(tài)特性。結合定性的量綱分析方法，推導了初始缺陷損傷指數(shù)與缺陷幅值之間的二次函數(shù)關系。分別以振動模態(tài)、重力荷載下的變形等作為缺陷形狀對某凱威特網(wǎng)殼和施威德勒網(wǎng)殼施加初始缺陷，驗證了這種二次關系，且發(fā)現(xiàn)施威德勒網(wǎng)殼比凱威特網(wǎng)殼對缺陷更為敏感。缺陷對結構抗震能力的影響并非總是不利的，在缺陷幅值比較小的情況下有可能增強結構抗震能力。之后，以建議損傷模型去判定網(wǎng)殼結構倒塌破壞模式，如果整體損傷指數(shù)達到0.98之后結構才倒塌，即經(jīng)歷了A4

5、-A5段，則此種倒塌破壞屬于強度破壞;如果整體損傷指數(shù)小于0.98，稍微增加地震動強度，整體損傷指數(shù)就達到1.0或計算不收斂，結構發(fā)生倒塌，則此種倒塌屬于失穩(wěn)破壞。初始缺陷達到一定程度時會改變網(wǎng)殼結構失效模式，對其抗震能力產(chǎn)生很大影響，建議在設計和施工過程中要合理地控制初始缺陷大小。
　　(3)通過上述整體損傷模型判別大跨空間網(wǎng)殼結構臨界倒塌點，進一步提出了考慮一致倒塌概率的大跨空間網(wǎng)殼結構倒塌安全儲備計算方法。以標準正態(tài)分布作為

6、倒塌概率密度函數(shù)，采用指數(shù)型分布函數(shù)描述地震危險性，在假定大跨空間網(wǎng)殼結構特大震倒塌率限值為10％的情況下，將兩者積分最終得到了適用于大跨空間網(wǎng)殼結構的50年內一致倒塌概率限值0.68％，低于針對普通房屋建筑結構50年內一致倒塌概率1％的限值。在定義大跨空間網(wǎng)殼結構特大地震強度水平的基礎上，引入一致倒塌概率對其進行了修正。根據(jù)修正特大震強度，最終提出了針對大跨空間網(wǎng)殼結構的倒塌安全儲備系數(shù)(CMR)計算方法，這種做法可以使所做的抗倒塌設