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屋面系统及悬挂设备对单层球面网壳静动力性能影响研究

李文亮  
【摘要】:球面网壳拥有优美的造型和良好的受力性能,在体育场馆、歌剧院及会展中心等大型公共建筑中应用广泛,并往往是所在地区的地标性建筑,社会、经济地位重要。从建筑构成上来看,球面网壳主要包含结构主体构件及表面、内部附带着大量的屋面围护部件及悬挂设备,这些屋面围护系统及悬挂设备可能会显著影响主体结构的静力及动力性能。尽管国内外学者已针对球面网壳的静力与动力性能开展了细致的研究工作,理论成果丰硕,但在研究中普遍忽略屋面系统的影响;另一方面,球面网壳多拥有交通枢纽、救灾避难所等重要的社会功能,建筑内部人员密集,在灾害荷载下内部的悬挂设备等非结构构件可能发生严重损坏甚至次生灾害,导致建筑功能中断,对灾后救援产生不利影响;因此,系统掌握屋面系统及悬挂设备影响的球面网壳在静动力荷载下的响应及破坏机理,建立球面网壳考虑屋面系统及悬挂设备可靠性的设计方法,具有重要的社会意义与工程应用价值。针对建筑非结构构件的研究已是土木工程前沿理论研究的热点问题,但当前的工作主要集中于多、高层建筑,对大跨空间结构上如悬挂设备等非结构构件的抗震性能及其对结构地震响应影响的研究较少。因此,本文选取大跨空间结构的常用体系、球面网壳开展研究工作,研究屋面围护系统对球面网壳静力稳定性及地震响应的影响机理,研究球面网壳上悬挂重型设备时的强震影响机理,并提出球面网壳内部悬挂设备等非结构构件地震作用的计算方法,论文研究内容具体如下:(1)考虑屋面系统球面网壳静力稳定性试验及数值建模方法研究开展了螺栓连接和焊接连接檩条屋面的球面网壳模型静力试验研究,考察不同屋面围护系统对试验模型静力稳定性的影响。通过监测模型各组成部件的应变数据,并结合模型的失效模式,分析屋面系统中各部件对试验模型失稳临界荷载的影响;对各部件的连接方式以及屋面板等效方法开展针对性的研究,建立了考虑屋面系统球面网壳的精细化有限元分析模型,并通过模型试验结果验证了本文建模方法的正确性和可行性。(2)考虑屋面围护系统的球面网壳静力稳定性研究基于上述考虑屋面系统球面网壳的有限元建模方法,分别开展螺栓连接及焊接连接檩条屋面系统球面网壳静力稳定性研究,从球面网壳失稳临界荷载、塑性杆件的发展分布及破坏现象来分析屋面系统的影响,通过研究考虑屋面系统前后网壳杆件内力及檩条节点破坏情况来分析屋面系统的影响机理,分析了不同球面网壳及屋面系统参数(跨度、矢跨比、檩条节点强度及刚度、立柱高度、屋面质量、网壳及屋面系统缺陷幅值及模式)对考虑屋面系统球面网壳静力稳定性的影响规律,统计了螺栓连接及焊接连接檩条屋面系统对球面网壳失稳临界荷载的影响范围。(3)考虑屋面围护系统的球面网壳地震响应及强震失效机理研究为研究屋面围护系统对球面网壳地震响应及强震失效机理的影响,考察了是否考虑屋面系统球面网壳有限元模型的模态特征变化,通过对螺栓连接及焊接连接檩条屋面系统影响下的球面网壳在地震作用下的响应曲线、网壳塑性杆件的发展比例及分布情况、强震作用下网壳的破坏现象分析,获得了屋面系统对球面网壳抗震性能的影响;通过分析檩条节点破坏情况及屋面系统各部件的耗能情况揭示了屋面系统对球面网壳地震响应的影响机理,研究了不同网壳及屋面系统参数(跨度、矢跨比、不同地震荷载、檩条节点刚度及强度)对球面网壳地震响应的影响规律;基于参数分析结果建立了考虑屋面系统球面网壳的地震损伤模型。(4)球面网壳节点加速度反应谱及悬挂设备的地震作用计算对比分析了地震作用下球面网壳节点加速度响应与国内外现行抗震设计规范中对非结构构件地震作用的规定,研究了地震作用下球面网壳节点弹性加速度反应谱,推导得到在三维地震作用下球面网壳节点的三个方向的加速度反应谱计算公式,给出了分别适用于考虑螺栓连接及焊接连接檩条屋面系统球面网壳中如悬挂设备等非结构构件的地震作用计算方法。(5)考虑重型悬挂设备球面网壳的地震响应及失效机理研究对含有大质量悬挂设备的球面网壳进行模态分析,并分析悬挂设备对球面网壳各环节点位移响应的影响特点。通过分析强震作用下考虑重型悬挂设备球面网壳的塑性杆件发展情况及破坏特点,揭示重型悬挂设备对球面网壳强震失效的影响机理,定义了考虑重型悬挂设备球面网壳的两种典型失效模式,分析了不同参数(跨度、矢跨比、缺陷幅值、不同地震荷载及悬索长度)对考虑重型悬挂设备球面网壳地震响应的影响规律。


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