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网壳结构震害行为精细化研究

杨丰源  
【摘要】:在过去三十年里,网壳结构在中国得到了广泛的工程应用,是体育场馆和会展中心等大型公共设施的主要结构形式,并成为了许多城市的地标性建筑。地震灾害是中国比较常见自然灾害之一,许多网壳结构工程也建造在了地震多发区域,并经常扮演震后安置灾民的重要角色,因此对于以网壳结构为代表的大跨空间结构的抗震性能研究显得尤为重要。鉴于网壳结构受力复杂和杆件繁多,过去学者们不得不采取大量简化措施以进行网壳结构动力分析。但随着研究工具的完善和计算效率的提升,对网壳结构工程中存在的许多结构复杂效应的研究和应用开始逐步变得可行,而这对深入了解网壳结构实际工程的抗震性能提供了帮助,并指导设计出更加经济可靠和安全的网壳结构工程。本文考虑了网壳结构工程中更加接近实际情况的复阻尼模型以及两种典型的结构复杂效应——钢材损伤累积效应和下部结构填充墙效应,对它们分别建立了行之有效的有限元模拟方法,并详尽评估了这些结构因素对单层球面网壳结构的强震动力响应和抗震承载力的影响。本文具体的研究工作包括如下四部分:1、考虑复阻尼模型的单层球面网壳结构地震响应分析针对瑞利阻尼模型的能量耗散是频率相关的以及无法保证模态阻尼比恒定的这两个问题,本文基于五参数整数阶微分方程法,推导了复阻尼时域本构关系模型,用于网壳结构有限元隐式动力时程分析。通过对单层球面网壳振动台试验的数值模拟,验证了该复阻尼模型仿真方法的准确性和适用性。在单层球面网壳结构的动力分析中采用复阻尼模型后,由于杆件阻尼力的降低,导致结构杆件内力增大,结构杆件也会更早进入塑性,杆件塑性发展也更加深入。结构地震承载力大部分情况下都会降低,降低幅度大于10%。通过对比复阻尼模型和瑞利阻尼模型对不同结构参数的单层球面网壳结构地震动力响应的差异,得到了复阻尼模型对单层球面网壳结构的影响规律。2、考虑钢材损伤累积效应的单层球面网壳结构地震响应分析为了更加准确模拟钢管材料在往复荷载作用下引起的刚度强度退化的力学行为,使用基于Chaboche非线性随动强化准则的韧性断裂损伤模型,对杆系梁单元的钢材损伤累积效应进行模拟和编制材料子程序UMAT。相比于其他常见钢材本构关系模型,韧性断裂损伤模型对钢管空间滞回试验和网壳结构振动台试验都有更高的模拟精度。对不同跨度、屋面质量和矢跨比的单层球面网壳结构系统地考察了材料损伤累积效应对网壳结构动力响应和承载力的影响,并分析了造成这种影响的原因。3、考虑下部结构填充墙效应的单层球面网壳结构地震响应分析由于填充墙给下部支承结构提供了较大的刚度且在地震中填充墙容易开裂导致刚度和承载力下降,使用单斜撑双对角线布置的等效宏观模型以及修正后的Dolsek型三折线骨架曲线,对填充墙的力学行为进行了有限元模拟,以考察下部结构填充墙效应对上部网壳结构地震响应的影响和相互作用机理。该填充墙模型较为准确地模拟了两个填充墙钢筋混凝土框架结构的滞回试验曲线。采用该填充墙模型对单层球面网壳结构的地震响应进行数值模拟,探讨了下部支承结构中填充墙的存在导致网壳结构的地震承载力降低以及网壳结构支座附近外环杆件大面积进入深入塑性发展的原因。通过单层球面网壳大规模参数化分析,总结归纳下部结构填充墙效应对网壳结构地震响应的影响规律,揭示了填充墙效应下的网壳结构强震破坏机理。4、芦山县体育馆的地震灾害重现分析在芦山地震中,芦山县体育馆网壳结构发生了明显的震害。对芦山县体育馆这一实际工程进行精细化数值重现工作,建立了考虑复阻尼模型、钢材损伤累积效应和下部结构填充墙效应的有限元模型,采用不同强震观测台站的地震动记录进行模型地震动输入。通过对比实际的震害调查结果,评估本文仿真方法和复杂效应模拟方法的准确性,并探讨它们对芦山县体育馆地震响应的影响规律。


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