不同下部结构钢管拱桁架强震下的破坏机理研究

摘要

随着建筑结构施工技术的发展和对建筑功能要求的提高，大跨度结构建筑得到了迅速的发展和应用。钢管拱桁架作为一种被广泛应用的大跨度空间结构，具有造型优美，受力合理，自重轻，刚度大等例点。但钢管拱桁架由于其特殊的结构性能更容易在动力荷载作用下发生失稳，而现在对拱桁架结构，特别是对带下部结构的拱桁架结构的动力稳定性研究尚处于研究阶段。因此，有必要对该类结构在地震作用下的非线性动力稳定性继续进行深入的研究。
　　 本文首先按工程实际设计了三种跨度为60m，矢跨比0.25的不同下部结构落地的拱桁架：直接落地钢管拱桁架结构、格构柱落地钢管拱桁架结构和H型钢柱落地钢管拱桁架结构。然后选用三种地震波对结构进行动力时程分析，通过对结构不同性能指标响应的分析来研究不同下部结构拱桁架的抗震性能、失稳模态和破坏机理。最后选择H型钢柱落地拱桁架结构，通过改变下部H型钢柱的刚度研究其对结构抗震性能及失稳模态的影响。通过计算分析，得出了如下结论：
　　 1)运用SAP2000软件对三种不同下部结构钢管拱桁架进行优化设计，得到弹性阶段结构的内力和位移。结果表明：在弹性阶段格构柱落地拱桁架结构的杆件内力最大，直接落地拱桁架结构的杆件内力最小；结构在重力荷载代表值作用下，H型钢柱拱桁架结构的竖向位移最大，直接落地拱桁架结构的竖向位移最小。
　　 2)通过对结构的自振特性分析可知，三种不同下部结构拱桁架中直接落地拱桁架结构水平刚度最大，格构柱落地拱桁架结构的水平刚度最小。三种结构的水平向刚度都小于竖向刚度，结构自振都以水平向振动为主，并且结构在高阶振型下出现复杂的振动。
　　 3)对三种不同下部结构拱桁架输入三种地震波进行时程分析，结果表明：不同地震波引起的结构响应不同，地震波在水平向输入时Rgb波引起的结构动力响应最大；地震波在竖向输入时，Lwd波引起的结构响应最大。三种不同下部结构拱桁架都是水平向地震控制结构的抗震承载力。
　　 4)直接落地拱桁架和H型钢柱落地拱桁架结构在水平向地震输入时发生强度破坏，在竖向地震输入时发生动力失稳破坏；格构柱落地拱桁架在水平向和竖向地震输入时都是发生强度破坏。直接落地拱桁架和格构柱落地拱桁架结构在地震作用下的破坏始于拱桁架1/4处，H型钢柱落地拱桁架结构的破坏始于拱桁架1/4或1/8处。结构发生动力失稳破坏的原因是结构经历了较大的塑性变形，并且由于部分杆件达到极限强度后刚度退化，使结构不能保持原有位形而发生动力失稳破坏。
　　 5)三种拱桁架结构水平向的变形能力和消耗地震能的能力都比其竖向强，即三种拱桁架结构在水平向地震作用下延性更好，能吸收更多的地震能量。
　　 6)通过改变H型钢柱截面高度来改变拱桁架结构的下部结构刚度，然后选用Rgb波输入结构进行时程分析。计算结果表明：H型钢柱落地拱桁架结构的整体刚度随着下部结构刚度的增加而增加；结构抵御水平向地震的能力随着下部结构刚度的增加而减弱，而结构抵御竖向地震的能力随着下部结构刚度的增加而增加；随着下部结构刚度的增加结构的水平向位移延性系数逐渐增大，但竖向位移延性系数的变化比较复杂，随着下部结构刚度的增加结构的竖向位移延性系数先增大后减小。