大跨空间结构地震整体损伤与倒塌安全储备

摘要

近年来地震灾害的频繁发生造成大量基础设施和民用建筑倒塌，使得人们更加关注结构体系的抗震性能问题。大跨空间结构由于其跨越大跨度空间的优异能力和良好的建筑功能特性，在交通、文化、体育等行业建筑中得到了广泛的工程应用，且在地震发生时往往作为紧急避难场所。有必要对该结构类型的地震损伤演化和抗地震倒塌能力进行深入研究，这对大跨空间结构抗震设计方法的不断完善和发展，以及既有大跨结构的加固等都将起到一定指导作用。大跨空间结构又是对外形变化敏感的结构，初始缺陷将会对其抗震性能产生很大影响，甚至影响其强震下的失效模式，如何结合建议损伤模型去判别大跨空间结构失效模式并评估初始缺陷的影响是很重要的问题。针对上述问题，本文做了如下工作:
　　(1)针对大跨空间网壳结构，本文提出了一种具有一定物理含义的宏观整体地震损伤模型。定义模态损伤为结构在地震前后状态下产生相同增量振型位移所能储存能量大小的损失比重，以基于模态损伤独立性假定的H组合方式组合多阶模态损伤得到了整体多模态损伤模型。最小组合项数以最大节点位移作为关键反应量来确定，并运用线性模态置信准则(LMAC)考虑网壳结构中普遍存在的模态跃迁现象。算例分析表明，通过建议地震整体损伤模型得到的整体损伤发展规律和最大节点位移曲线保持较好地一致性，且当足够多的模态损伤考虑进来时，整体损伤指数曲线呈现典型五阶段S型发展规律。某种程度上，建议损伤模型可以认为是FS模型的一种延伸拓展。
　　(2)通过多模态整体损伤模型对网壳结构初始缺陷损伤进行了定量评估，发现初始缺陷损伤具有显著多模态特性。结合定性的量纲分析方法，推导了初始缺陷损伤指数与缺陷幅值之间的二次函数关系。分别以振动模态、重力荷载下的变形等作为缺陷形状对某凯威特网壳和施威德勒网壳施加初始缺陷，验证了这种二次关系，且发现施威德勒网壳比凯威特网壳对缺陷更为敏感。缺陷对结构抗震能力的影响并非总是不利的，在缺陷幅值比较小的情况下有可能增强结构抗震能力。之后，以建议损伤模型去判定网壳结构倒塌破坏模式，如果整体损伤指数达到0.98之后结构才倒塌，即经历了A4-A5段，则此种倒塌破坏属于强度破坏;如果整体损伤指数小于0.98，稍微增加地震动强度，整体损伤指数就达到1.0或计算不收敛，结构发生倒塌，则此种倒塌属于失稳破坏。初始缺陷达到一定程度时会改变网壳结构失效模式，对其抗震能力产生很大影响，建议在设计和施工过程中要合理地控制初始缺陷大小。
　　(3)通过上述整体损伤模型判别大跨空间网壳结构临界倒塌点，进一步提出了考虑一致倒塌概率的大跨空间网壳结构倒塌安全储备计算方法。以标准正态分布作为倒塌概率密度函数，采用指数型分布函数描述地震危险性，在假定大跨空间网壳结构特大震倒塌率限值为10％的情况下，将两者积分最终得到了适用于大跨空间网壳结构的50年内一致倒塌概率限值0.68％，低于针对普通房屋建筑结构50年内一致倒塌概率1％的限值。在定义大跨空间网壳结构特大地震强度水平的基础上，引入一致倒塌概率对其进行了修正。根据修正特大震强度，最终提出了针对大跨空间网壳结构的倒塌安全储备系数(CMR)计算方法，这种做法可以使所做的抗倒塌设计更好地考虑到所有超越概率地震动水平，保证各抗震设防烈度下大跨结构具备统一的倒塌概率限值要求。通过建议谱形状参数对倒塌安全储备计算结果进行了谱修正。算例结果表明，采用安全度为2的静力控制设计方法过于保守，计算得到的结构50年倒塌概率仅为0.37％，采用建议倒塌安全储备评估方法所得到的CMR值也远大于限值要求。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 相关领域研究现状

1．2．1 网壳结构抗震性能评估及损伤模型研究现状

1．2．2 网壳结构初始缺陷影响及失效模式判别研究现状

1．2．3 结构抗地震倒塌能力评估方法研究现状

1．3 存在的问题和思考

1．4 本文工作

2 大跨空间结构多模态整体损伤模型

2．1 假定条件

2．2 基于储能能力损失比的单阶模态损伤模型

2．2．1 模型推导

2．2．2 忽略二阶项合理性验证

2．3 整体多模态损伤模型

2．3．1 LMAC方法进行模态匹配

2．3．2 组合项数的确定

2．3．3 多模态组合方式

2．3．4 所建议模型与其他模态损伤模型的关系

2．4 施威德勒网壳损伤评估

2．4．1 分阶段损伤状态评估

2．4．2 临界倒塌点的确定

2．5 损伤累积钢材料DUJ2的集成

2．5．1 J2理论背景

2．5．2 圆钢管试件试验曲线验证

2．6 算例分析

2．6．1 基本设计信息

2．6．2 地震波的选取

2．6．3 钢材料损伤累积影响

2．6．4 损伤模型验证

2．7 本章小结

3 初始缺陷多模态损伤机制及倒塌破坏模式判定

3．1 初始缺陷多模态损伤机制

3．1．1 动力学背景

3．1．2 初始缺陷损伤指数与缺陷幅值关系

3．2 初始缺陷损伤的算例验证

3．2．1 振动模态-初始几何缺陷

3．2．2 重力荷载变形-初始几何缺陷

3．2．3 缺陷分布形式的选择

3．2．4 参数化分析

3．3 网壳结构初始应力

3．3．1 初应力模拟

3．3．2 初应力影响

3．4 失效模式的判定

3．5 本章小结

4 考虑一致倒塌概率的大跨空间网壳倒塌安全储备评估

4．1 结构50年内倒塌概率限值

4．1．1 50年倒塌概率限值的计算方法

4．1．2 地震危险性曲线的确定

4．1．3 地震动强度指标的选择

4．2 考虑一致倒塌概率限值的特大震强度修正

4．2．1 大跨空间网壳结构特大震强度倒塌率限值

4．2．2 特大震强度定义

4．2．3 地震危险性曲线参数

4．2．4 大跨空间网壳结构一致倒塌概率限值

4．2．5 大跨空间网壳结构特大震强度修正

4．3 考虑一致倒塌概率的大跨空间网壳结构CMR评估

4．3．1 考虑一致倒塌概率的CMR修正

4．3．2 CMR的谱修正

4．3．3 倒塌不确定性确定方法及其影响

4．4 算例验证

4．5 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢