空間雙層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)強(qiáng)震失效機(jī)理與隔震研究.pdf

1、新中國成立以來，伴隨著國家經(jīng)濟(jì)的騰飛，國內(nèi)出現(xiàn)越來越多的大跨度空間結(jié)構(gòu)，而空間雙層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)以其安全性與經(jīng)濟(jì)性在空間結(jié)構(gòu)中應(yīng)用極為廣泛。但是，2013年4月20日，蘆山發(fā)生Ms7.0級(jí)地震，位于Ⅷ度區(qū)蘆山縣城的兩座空間雙層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重震害，其中蘆山中學(xué)體育館網(wǎng)架損毀，現(xiàn)已拆除重建；蘆山體育館網(wǎng)殼發(fā)生嚴(yán)重破壞，現(xiàn)已加固。因此對(duì)空間雙層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)抗震性能和失效機(jī)制的深入研究是必要的。本文的主要工作如下：
　　首先，依據(jù)蘆山地震科考對(duì)現(xiàn)

2、場(chǎng)的兩座空間雙層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的震害調(diào)查，在綜合附近其他類型結(jié)構(gòu)的震害和當(dāng)?shù)嘏_(tái)站記錄分布的基礎(chǔ)上，指出超越設(shè)防的強(qiáng)烈的地震作用是空間雙層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)發(fā)生如此嚴(yán)重破壞的首要原因，空間雙層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)抗震能力的有限是其在強(qiáng)震作用下發(fā)生破壞的內(nèi)在原因。詳細(xì)系統(tǒng)地統(tǒng)計(jì)總結(jié)了空間雙層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的震害現(xiàn)象，指出支座失效、桿件屈曲、連接螺栓失效是空間雙層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)破壞主要特征。
　　其次，使用有限元分析方法對(duì)兩座空間雙層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的震害進(jìn)行數(shù)值模擬，分析結(jié)果揭示了

3、空間雙層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與下部支撐結(jié)構(gòu)的耦合作用包括加速度放大效應(yīng)、濾波效應(yīng)、支座剛度不均勻引起的內(nèi)力重分布效應(yīng)以及支座位移輸入不協(xié)同效應(yīng)。設(shè)計(jì)中未考慮這些效應(yīng)是造成空間雙層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的又一因素。因而建議在設(shè)計(jì)分析中采用整體建模方法考慮下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)的耦合效應(yīng)。
　　此外根據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)的無法考慮桿件動(dòng)力屈曲的影響而高估網(wǎng)架抗震能力的問題，提出采用考慮桿件動(dòng)力屈曲的影響的分析建模方法研究空間雙層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的抗震能力和研發(fā)新型三維隔震

4、支座減小地震作用的方法提高空間雙層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在地震作用下的生存能力的研究思路。
　　接著根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范和地震中破壞的空間雙層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的基本特征設(shè)計(jì)了有下部支撐框架的平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，基本重現(xiàn)了實(shí)際震害特征，指出在下部框架結(jié)構(gòu)的放大效應(yīng)作用下，桿件屈曲引起結(jié)構(gòu)的倒塌是造成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)倒塌的失效機(jī)制。
　　本文考慮空間雙層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)桿件動(dòng)力屈曲本質(zhì)是軸向壓力引起的桿件彎曲效應(yīng)，提出考慮鋼材失效材料模型和初始偏心的曲線多段梁單元建模

5、方法。方法中利用多段梁單元模擬桿件的動(dòng)力屈曲，曲線形狀來模擬桿件自身初始彎曲和節(jié)點(diǎn)的初始偏心，與應(yīng)變率相關(guān)的塑性隨動(dòng)材料模型模擬材料在軸向力與彎矩共同作用下的失效。
　　通過桿單元、直線多段梁以及曲線多段梁單元三類6個(gè)有限元模型和試驗(yàn)在各工況下的對(duì)比結(jié)果，發(fā)現(xiàn)考慮初始偏心的曲線多段梁單元模型的分析結(jié)果誤差最小。再將這六種模型應(yīng)用于震區(qū)的實(shí)際結(jié)構(gòu)上，經(jīng)過對(duì)比實(shí)際震害現(xiàn)象，考慮鋼材失效材料模型和初始偏心的曲線多段梁單元模型的模擬結(jié)果最

6、為準(zhǔn)確。因此建議在進(jìn)行大震作用下的抗震能力分析時(shí)，摒棄桿單元模型，而采用考慮鋼材失效材料模型和初始偏心的曲線多段梁單元模型進(jìn)行模擬。
　　為減小空間雙層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的地震作用，設(shè)計(jì)研發(fā)了新型大位移三維隔震支座，通過試驗(yàn)確定了其力學(xué)模型和性能參數(shù)。并使用虛功原理推導(dǎo)出其正常工作狀態(tài)下各力學(xué)性能參數(shù)與構(gòu)件參數(shù)的理論方程，由此方程可獲得不同彈簧剛度和幾何尺寸條件下的力學(xué)性能參數(shù)，并與試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。指出水平剛度參數(shù)的影響因素非常復(fù)雜，從

7、而提出基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的半經(jīng)驗(yàn)半理論的水平剛度與構(gòu)件參數(shù)的理論方程。
　　通過隔震與非隔震的試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隔震裝置通過犧牲自身的層間變形有效的減小了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)，在強(qiáng)震作用下保護(hù)了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，在Taft(PGA=0.7g)地震動(dòng)作用下，非隔震試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶l(fā)生倒塌，而隔震模型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)任何破壞現(xiàn)象，但隔震支座的變形已經(jīng)超過設(shè)計(jì)狀態(tài)，證實(shí)了三維隔震支座的隔震效果。
　　最后為避免非線性分析的復(fù)雜性，使得隔震支座能夠應(yīng)用于實(shí)踐中