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带有约束屈曲支撑杆件的空间网壳结构抗震性能分析与试验研究

殷占忠  
【摘要】: 近年来大跨空间结构发展迅速,网壳结构抗震性能研究尤为重要。目前,抗震设计方法是通过增强结构自身的刚度来抵御地震作用,满足抗震设防目标,当遇到强烈地震时结构的主受力构件将进入弹塑性工作阶段,造成结构的损伤。因而提高大跨空间结构的安全度、降低结构损伤将是大跨空间结构抗震设计的发展方向之一。而我国大部分地区又处于地震区,需要考虑地震动的影响,所以对大跨度结构抗震减震性能进行深入细致的研究有着非常重要的理论意义和工程实用价值。鉴于此,本文首先提出一种带接触环的双钢管约束屈曲支撑,详细分析研究其性能,然后运用结构控制理论,结合空间网壳结构的受力与构造特征,提出利用带接触环的双钢管约束屈曲支撑代替原结构部分杆件的思路,构成了新的网壳结构减震体系,并对装有约束屈曲支撑的网壳体系的抗震性能进行了分析和研究。本文主要在以下几个方面进行了分析研究: (1)提出新型约束屈曲支撑构造,即带接触环的双钢管约束屈曲支撑,它具有比混凝土外包的约束屈曲支撑构件质量轻、连接方便、接合段强度和刚度高等优点,非常适合在大跨度空间结构中应用。 (2)建立了带接触环的双钢管约束屈曲支撑简化计算模型,根据能量理论推导出约束屈曲支撑的刚度方程,并利用MATLAB语言编制有限元计算程序,计算了该支撑的稳定承载能力。 (3)建立带接触环的双钢管约束屈曲支撑的有限元实体模型,利用ANSYS软件对带接触环的双钢管约束屈曲支撑进行详细地分析与研究,全面掌握构件的强度、刚度和耗能特性。 (4)在有限元计算的基础上进行了新型支撑构件的试验研究,讨论了支撑在单向加载下的承载能力、荷载位移曲线变化规律;分析了在循环加载下带接触环的双钢管约束屈曲支撑的耗能性能,并且讨论了接触环数量、外套管间隙、外套管刚度对滞回曲线的影响。最后得到了带接触环的双钢管约束屈曲支撑的恢复力特性及简化模型。 (5)将带接触环的约束屈曲支撑装入网壳结构,替换网壳结构中部分杆件,替换后使得结构的刚度和阻尼发生了变化,通过刚度和阻尼的变化来提高结构的抗震能力,并根据结构控制理论提出了新型结构的减震思想。利用通用软件ANSYS对装有约束屈曲支撑的网壳结构进行动力时程分析,研究了单层K6型网壳结构的动力性能,讨论了结构在水平地震作用、竖向地震作用以及三向地震作用下的动力响应规律。 (6)研究在三向地震作用下带约束屈曲支撑网壳与下部支承结构共同工作时的抗震性能,发现装有约束屈曲支撑后,网壳结构节点位移峰值和主受力杆件内力峰值降低幅度较大,整个网壳结构的受力比较均匀。使结构的内力和位移的峰值大幅度减小,防止了结构个别杆件的过早破坏,达到了约束屈曲支承先屈服耗能保护结构主受力杆件的目的。


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