大跨空间网格结构多点地震动输入下冗余特性研究

摘要

近年来，大跨空间网格结构广泛应用于工程结构领域，其在强震等突发事件下的安全问题也日趋突出。空间网格结构有传力路径复杂、对局部破坏敏感的特点，在非预期突发事件作用下倒塌事故时有发生。当结构局部范围遭受到破坏时，如果结构不具有足够的冗余度，很容易发生整个结构的崩溃。而空间网格结构因其巨大的社会影响力，这类建筑一旦发生坍塌，危害会非常巨大。国内外对于大跨空间网格结构抗倒塌的设计理论仍不够成熟，突发事件下的结构破坏机理也尚未清楚。本文以单层球面网壳为研究对象，探讨空间网格结构在强震下的冗余特性，以期为该类结构体系的抗倒塌措施设计提供理论依据。
　　结构的响应敏感性是用来描述结构行为与设计参数之间关系的函数，本文基于响应敏感性对结构冗余特性进行研究，提出了基于结构应变能敏感性的冗余度评价方法。以结构应变能对单元材料弹性模量的敏感性作为冗余特性的评价指标，考虑局部损伤对结构整体的影响。与高冗余度构件相比，低冗余度构件一旦发生破坏，结构的剩余承载力将急剧下降，可能造成结构的局部破坏，甚至是整体倒塌。基于应变能敏感性的冗余度评价方法能较全面地反映构件的重要程度，对结构的抗倒塌研究设计有参考意义。
　　动力下结构有复杂的力学行为，不能简单地用拟静力的方式进行模拟。本文给出了弹性和弹塑性条件下结构敏感性及构件冗余度的求解方法，以结构在整个地震过程中应变能对构件材料弹性模量敏感性的极值作为地震作用下单元冗余度的评价指标，反映了局部构件损伤对结构在地震作用下整体力学性能的影响。通过算例表明，弹性和弹塑性下的构件冗余度分布有较大差异，且当结构进入塑性时，构件冗余度分布较为均匀。
　　随着空间网格结构的跨度越来越大，地震动的空间效应越来越显著，结构不同支座处的地震动输入不一致，进而导致结构地震响应与一致输入情况有较大差别。对多点输入下空间网格结构的抗震性能进行研究有重要的现实意义。本文在Dibaj和Penzien求解多点输入反应理论的基础上推导了多点输入下结构响应敏感性的求解方法，然后以响应敏感性为基础衡量结构构件在多点输入下的冗余度。通过算例表明，结构在多点输入下支座部分冗余度更大，而整体冗余度更为均匀。
　　以2个跨度23.4m、矢跨比1/2的K6型单层网壳多点输入振动台试验模型为检验对象，对比完善结构和人为设置薄弱区结构模型的倒塌过程，表明结构的冗余特性能全面反映结构的整体性能，体现结构的薄弱环节和其关键部位所在。
　　本文的研究工作给出了寻找结构关键构件的方法，为空间网格结构的抗倒塌控制与抗倒塌设计研究提供了理论依据，对推进空间网格结构的发展具有工程意义。
　　本文主要创新点:
　　1.将结构应变能对单元材料弹性模量的敏感性作为冗余特性的评价指标。
　　2.提出多点输入下结构响应敏感性的求解方法及构件冗余度评价指标。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 结构抗倒塌研究现状

1．2．2 结构冗余特性及构件重要性系数研究现状

1．3 本文主要工作

参考文献

第二章 基于响应敏感性的结构静力冗余特性分析

2．1 结构响应敏感性分析方法

2．1．1 响应敏感性定义

2．1．2 响应敏感性求解方法

2．1．3 静力荷载作用下结构响应敏感性

2．1．4 星型网壳结构的静力响应敏感性

2．2 静力作用下的结构冗余度分析方法

2．2．1 结构构件的冗余特性

2．2．2 结构构件冗余度评价方法

2．2．3 星型网壳结构静力作用下的冗余度

2．3 K6型单层网壳结构冗余度分析算例

2．4 小结

参考文献

第三章 基于响应敏感性的一致输入下结构动力冗余特性分析

3．1 结构的弹性动力响应敏感性

3．1．1 弹性动力下结构响应求解

3．1．2 弹性动力下结构敏感性求解

3．2 结构的弹塑性动力响应敏感性

3．2．1 弹塑性动力下结构响应求解

3．2．2 弹塑性动力下结构位移敏感性求解

3．3 星型网壳的动力响应敏感性分析

3．3．1 节点位移敏感性分析

3．3．2 单元应变能敏感性分析

3．4 动力下结构的冗余度分析方法

3．4．1 动力下结构构件冗余特性

3．4．2 动力下结构构件的冗余度评价方法

3．4．3 星型网壳动力下的冗余度

3．5 K6型单层网壳结构地震作用下冗余度分析算例

3．6 小结

参考文献

第四章 基于响应敏感性的多点输入下结构动力冗佘特性分析

4．1 多点输入下结构响应敏感性求解及构件冗余度定义

4．1．1 多点输入下结构运动方程的建立

4．1．2 多点输入下结构响应及响应敏感性求解

4．1．3 多点输入下结构构件冗余度定义

4．2 多点输入下星型网壳冗余特性分析算例

4．3 K6型单层网壳振动台倒塌试验模型冗余特性分析

4．3．1 试验模型设计

4．3．2 试验过程与结果

4．3．3 多点输入下K6型单层网壳模型冗余特性分析

4．4 小结

参考文献

第五章 结论

作者攻读硕士学位期间发表的论文

致谢