大跨空间结构抗震理论发展的回顾与展望

摘要

材料本构模型反应的是组成结构的材料的应力-应变模型,是描述材料的力学特性的数学表达式,准确的材料非线性本构模型是大跨空间结构强震灾变行为研究的基础,准确的模型应该能够考虑材料在往复荷载作用下进入塑性后强度和刚度不断退化的特征.大跨空间结构在强震作用下,材料发生损伤后的应力-应变关系更加复杂,具有明显的非线性特征.钢材是一种延性较好的材料,也就是说在地震或者其它超预期荷载作用下,是希望结构进入塑性不断耗能来消耗输入荷载的能量,因此钢材考虑损伤累积更加重要.在这一方面,日本学者Usami针对大直径薄壁钢管的滞回性能进行了研究,并提出了能够较准确反映试验结果的本构模型.国内同济大学沈祖炎院士团队在钢材考虑损伤累积这一领域开展的研究也较早,通过H型钢柱的空间滞回试验获得了材料考虑损伤累积的本构模型.而在大跨空间结构材料本构模型领域,支旭东分别在网架和网壳结构开展了考虑材料损伤累积效应的探索性研究.聂桂波等,进行了120组空间结构常用构件——Q235圆钢管、Q345圆钢管和Q235方钢管的空间三维滞回加载试验,通过有限元软件ABAQUS的用户材料子程序嵌入了钢材考虑损伤累积的本构模型,通过对试验的数值模拟修正和标定材料本构模型中的各个系数,最终获得了统一的钢材考虑损伤累积的本构模型,将这一本构模型应用于结构的强震响应行为分析中,结果表明材料的损伤累积效应可以最大降低结构失效极限荷载20％,因此材料的损伤累积效应不可忽视,这一效应需要在设计实践活动中得到充分的重视.传统的抗震设计主要是通过提高结构的刚度和材料的强度来满足结构地震下的安全性要求，这种设计思想基本上能够保证结构在常规地震作用下的安全，但却很难应对诸如坟川地震一类的特大地震。此外，这种设计思想过分强调结构刚度和材料强度无疑会极大的增加建造成本。随着结构体型和构造日益复杂，按传统设计方法设计的结构在地震作用下，不可避免的发生损伤和破坏，甚至发生倒塌。而结构实施减隔震可以有效降低结构在地震荷载作用下的响应，延缓或减轻结构在地震作用下产生的损伤和损伤累积，有效的提高结构的抗震能力，增加了结构在地震下的安全性，是结构抗震减灾积极有效的方法和技术。