新型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)減震體系動力響應(yīng)分析及試驗研究.pdf

1、大跨度空間結(jié)構(gòu)特別是網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用越來越廣泛，但是對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)抗震性能的研究并不深入，存在理論落后實踐的問題。隨著科技的進(jìn)步，新技術(shù)和新材料的應(yīng)用對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)抗震提出了更新的要求，如何將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法中的“以抗為主”轉(zhuǎn)變?yōu)椤昂哪軠p震”，使得尋找更加合理與有效的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)抗震體系對減少地震帶來的危害顯得尤為重要。本文通過理論分析、數(shù)值模擬以及振動臺試驗驗證等多種研究方法對新型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)減震體系的抗震性能加以研究，完成的具體工作和取得的

2、主要成果如下:
　　(1)在國內(nèi)外各類屈曲約束支撐的研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，本文利用屈曲約束支撐構(gòu)件受拉與受壓時都可以達(dá)到屈服的特點(diǎn)，首次提出了一種新型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)減震體系，通過在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中按照一定規(guī)律合理布置開孔式雙鋼管屈曲約束支撐，利用其優(yōu)異的減震耗能性能，降低整體結(jié)構(gòu)在地震作用下的各項動力響應(yīng)，提高網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)整體抗震性能。該型屈曲約束支撐與傳統(tǒng)的混凝土外包的屈曲約束支撐構(gòu)件相比較，其具有質(zhì)量輕、便于連接、易于制造等優(yōu)點(diǎn)，非常適合在大跨度

3、空間結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。
　　(2)對本文提出的適用于大跨度空間結(jié)構(gòu)的新型屈曲約束支撐構(gòu)件，即開孔式雙鋼管屈曲約束支撐的整體穩(wěn)定性能和內(nèi)核單元的屈曲荷載進(jìn)行計算公式推導(dǎo)，得到了該型支撐的各項設(shè)計參數(shù)，包括支撐的等效剛度、等效彈性模量以及在泊松比影響下對拉壓雙向力學(xué)性能的影響;建立了開孔式雙鋼管屈曲約束支撐的整體穩(wěn)定性能公式，討論了在有初始缺陷作用下對其穩(wěn)定性的影響，并得到了該型支撐低階與高階屈曲模態(tài)下的臨界屈曲荷載;同時得到了該型屈曲約束

4、支撐的外部約束單元剛度以及內(nèi)外單元的合理間隙取值范圍，為后續(xù)章節(jié)中該型支撐的力學(xué)性能分析提供設(shè)計依據(jù)。通過有限元數(shù)值模擬，對不同構(gòu)件規(guī)格、開孔數(shù)目、開孔大小、長細(xì)比以及初始缺陷控制下的8個開孔式雙鋼管屈曲約束支撐模型的力學(xué)性能進(jìn)行對比分析。通過APDL自編程序?qū)Χ鄠€支撐構(gòu)件進(jìn)行單調(diào)加載全過程屈曲分析得到支撐構(gòu)件的荷載位移曲線、臨界屈曲荷載和極限荷載，以及循環(huán)加載方式求得支撐構(gòu)件的滯回曲線與骨架曲線，并給出建議的三折線恢復(fù)力模型。通過對比

5、分析數(shù)據(jù)與能量耗散指標(biāo)得到了多參數(shù)控制下的合理開孔式雙鋼管屈曲約束支撐形式，其各項性能與理論分析吻合良好，力學(xué)性能穩(wěn)定，能量耗散能力較好。
　　(3)利用有限元軟件ANSYS，對一系列單層網(wǎng)殼（包括單層凱威特球面網(wǎng)殼、單層柱面網(wǎng)殼、單層橢球組合網(wǎng)殼以及局部雙層球面網(wǎng)殼）的靜力與動力性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并建立了多個布置屈曲約束支撐的新型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)減震體系有限元模型，采用靜力與動力彈塑性分析方法對其在多水準(zhǔn)設(shè)防烈度地震作用下的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)

6、行數(shù)值分析，對比了不同參數(shù)控制下，不同模型之間的加速度、位移與內(nèi)力響應(yīng)情況;通過數(shù)值對比得到了屈曲約束支撐在單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的合理布置規(guī)律;地震作用下主要控制點(diǎn)的加速度響應(yīng)、水平與豎向位移響應(yīng)峰值以及主要桿件的內(nèi)力響應(yīng)峰值下降平均在5％～10％之間，最高達(dá)到25％左右，關(guān)鍵桿件達(dá)到屈服的數(shù)量也降低明顯，充分說明屈曲約束支撐發(fā)揮了良好的減震耗能作用;同時，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)也需考慮下部支承結(jié)構(gòu)與上部網(wǎng)殼的協(xié)同工作，數(shù)據(jù)表明在支承結(jié)構(gòu)中設(shè)置屈曲約束支撐

7、能夠明顯降低整體結(jié)構(gòu)的位移內(nèi)力響應(yīng)，并且隨著支撐數(shù)量的增加，減震耗能效果越明顯。
　　(4)本文利用模擬地震振動臺，首次對1∶10大比例縮尺的新型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)減震體系模型進(jìn)行了模態(tài)分析與動力彈塑性分析，經(jīng)歷了從峰值加速度0.25g～1.50g的多個加載工況，通過對比縮尺模型結(jié)構(gòu)與原型結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)情況，得到了一些結(jié)論:與模型相對簡單的高層結(jié)構(gòu)相比，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)縮尺模型的相似系數(shù)設(shè)計時，應(yīng)將加速度相似系數(shù)Sa與宏觀長度相似系數(shù)Sl作為主控參

8、數(shù)，并考慮優(yōu)先滿足模型與原型結(jié)構(gòu)的動力相似（也即自振頻率相似系數(shù)Sf），再通過量綱分析法推導(dǎo)出其他相似系數(shù);在網(wǎng)殼上部結(jié)構(gòu)中合理的布置屈曲約束支撐，由數(shù)值模擬分析的結(jié)果來看，新型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)減震體系的節(jié)點(diǎn)位移與加速度響應(yīng)的降低效果明顯，其位移及加速度減震系數(shù)在13％～55％之間，證明新體系的減震耗能效果優(yōu)異;對實驗?zāi)Ｐ腿藶樘砑映跏既毕?，加載工況至其發(fā)生動力失穩(wěn)破壞，證明單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)屬于缺陷敏感型結(jié)構(gòu)，初始缺陷大大降低了其極限承載力與整體穩(wěn)定

9、性。另外，試驗中存在的誤差原因在于模型實驗中存在的非可控初始缺陷、制作精度控制以及對多工況加載后損傷積累的精確模擬。
　　(5)振動臺模型結(jié)構(gòu)的自振頻率與原型結(jié)構(gòu)吻合較好，證明實驗縮尺模型結(jié)構(gòu)能夠相對真實的反應(yīng)原型結(jié)構(gòu)的動力特性;實驗實測數(shù)據(jù)與有限元模型數(shù)值模擬的位移與加速度響應(yīng)對比分析表明，實驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)與原型結(jié)構(gòu)的各項動力響應(yīng)數(shù)值上吻合良好，規(guī)律趨同勢變化，符合實驗預(yù)期目標(biāo)。因此，新型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)減震體系通過數(shù)值分析與實驗驗證兩種手