大跨空间网格结构形状敏感性分析

摘要

大型空间网格结构是容纳高密度人群的大型建筑物，是与建筑表现密切相关的“形状抵抗型”空间结构。近年来，大型公共建筑的局部或整体结构倒塌事故屡有发生，严重影响了生命财产安全乃至社会安全。从突发事件中确保人员安全的角度来说，结构敏感性分析和冗余度评价是这类结构的一个极其重要的问题。
　　 结构敏感度分析是指用响应函数来描述结构行为与设计参数之间的关系，通过控制一系列的设计参数来进行结构反应变动率的测量计算，它是当前计算力学和结构工程领域的主要研究方向之一。本文根据大跨空间网格结构特点，基于空间梁单元有限元法，进行矩阵推导和响应计算，得到一种精确的形状敏感性分析方法，文中给出了详细的推导过程。该方法实质上采用的是线性分析，结合现行规范进行有关计算具有高效易行的特点，使倒塌控制设计便于工程应用。
　　 结构的整体性能是由冗余特性、延性和强度条件等多因素综合决定的。当结构为一线性系统时，冗余特性便成为主导性的能力因素，围绕冗余特性进行研究也就显得合理自然。本文计算的冗余度是采用的P．C．Pandy冗余度方法，即定义冗余度与其结构单元的敏感性成反比，结构反应敏感性采用的是形状敏感性分析理论。
　　 本文对7种凯威特型单层球面网壳进行敏感性分析和冗余度评价，分别考虑了不同跨度、不同矢跨比的K8型和K6型单层网壳。通过改变结构杆件截面，考察K8型单层网壳结构在杆件截面不同时的冗余度分布；此外，比较相同跨度、不同矢跨比的K6型单层网壳结构在竖向荷载下的标准结构总冗余度。研究结果表明：结构敏感性分析对识别关键构件具有突出的优越性，便于有针对性加固构件，高效提高结构整体刚度；设计合理的空间结构是具有更少冗余度差异的分布均衡的结构；整体刚度较好的空间结构形式具有较高的结构标准总冗余度。
　　 本文主要创新点：
　　 1．改进和完善了形状敏感性分析方法，推广应用到大跨空间网格结构。
　　 2．提出采用结构标准冗余度较高的结构形式是一种较安全有效的设计方法。