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地震作用下空间钢管拱桁架的弹塑性动力响应研究

梅志强  
【摘要】: 钢管拱桁架结构因其造型美观、受力明确、施工方便,被广泛应用于体育场馆、会展中心等建筑的屋盖结构;地震是严重危害人类生命财产的自然灾害,我国是地震多发区。然而,目前对拱桁架结构在地震尤其是强震下的抗震性能及破坏机理尚缺乏透彻的了解。因此,对该类结构进行地震作用下的动力响应研究,具有十分重要的理论和现实意义。 本文应用结构分析软件ANSYS,对倒三角形截面钢管拱桁架结构在地震作用下的动力响应问题进行了分析研究,同时考虑了结构材料和几何的双重非线性效应,计及了结构的自重和阻尼的因素,主要开展了以下两方面的工作: 1.地震作用下拱桁架结构动力响应的时程分析 在满足第一阶段抗震设计要求的基础上,建立了相应的拱桁架有限元模型,选用宁河波,沿着结构平面内X向与Z向同时输入地震动,逐步加大地震波加速度幅值,对应每一幅值作非线性动力时程分析,记录结构某些特征指标的响应,绘出这些指标随加速度幅值变化的响应曲线,借此研究结构的动力响应特性。主要响应指标包括:(1)节点位移响应,(2)单元应力响应,(3)杆件轴力响应,(4)单元塑性应变响应,(5)单元动能响应。研究结果表明:结构的动力响应随地震加速度幅值的增加而增加,在强震下,结构破坏前经历了较长的塑性发展过程,深度屈服杆件在结构内部逐渐形成较大的塑性区,造成结构刚度严重削弱,无法维持原有位形和有效抵抗地震作用,最终发生了弹塑性动力失稳破坏。 2.地震作用下拱桁架结构动力响应的参数分析 在参数分析中,本文主要研究了地震波的选取、输入方向、结构屋面质量、初始几何缺陷及矢跨比对结构动力响应的影响,重点分析了结构的位移响应特点及塑性发展规律。研究结果表明:选用不同的地震波及沿结构不同的方向输入地震时,结构动力响应差异显著,其破坏形式既可能表现为弹塑性动力失稳,也可能表现为弹塑性动力强度破坏;屋面质量增加,使结构的动力响应增大;初始几何缺陷会大大降低结构的承载力;结构矢高越大,其动力临界荷载越高,其破坏形式由失稳破坏逐渐向强度破坏转变。


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