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

1、新中國成立以來，伴隨著國家經(jīng)濟的騰飛，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)生嚴重震害，其中蘆山中學體育館網(wǎng)架損毀，現(xiàn)已拆除重建；蘆山體育館網(wǎng)殼發(fā)生嚴重破壞，現(xiàn)已加固。因此對空間雙層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)抗震性能和失效機制的深入研究是必要的。本文的主要工作如下：
　　首先，依據(jù)蘆山地震科考對現(xiàn)

2、場的兩座空間雙層網(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?shù)嘏_站記錄分布的基礎(chǔ)上，指出超越設(shè)防的強烈的地震作用是空間雙層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)發(fā)生如此嚴重破壞的首要原因，空間雙層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)抗震能力的有限是其在強震作用下發(fā)生破壞的內(nèi)在原因。詳細系統(tǒng)地統(tǒng)計總結(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兩座空間雙層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的震害進行數(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)計了有下部支撐框架的平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的振動臺試驗，基本重現(xiàn)了實際震害特征，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)倒塌的失效機制。
　　本文考慮空間雙層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)桿件動力屈曲本質(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力屈曲，曲線形狀來模擬桿件自身初始彎曲和節(jié)點的初始偏心，與應(yīng)變率相關(guān)的塑性隨動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個有限元模型和試驗在各工況下的對比結(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)的實際結(jié)構(gòu)上，經(jīng)過對比實際震害現(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、為準確。因此建議在進行大震作用下的抗震能力分析時，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)計研發(fā)了新型大位移三維隔震支座，通過試驗確定了其力學模型和性能參數(shù)。并使用虛功原理推導出其正常工作狀態(tài)下各力學性能參數(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性能參數(shù)，并與試驗進行了對比驗證。指出水平剛度參數(shù)的影響因素非常復雜，從

7、而提出基于試驗數(shù)據(jù)的半經(jīng)驗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對比發(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)，在強震作用下保護了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，在Taft(PGA=0.7g)地震動作用下，非隔震試驗模型發(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)計狀態(tài)，證實了三維隔震支座的隔震效果。
　　最后為避免非線性分析的復雜性，使得隔震支座能夠應(yīng)用于實踐中