跨度6m矢跨比0.3钢管拱桁架拟动力试验模型的设计与试验过程模拟分析

摘要

大跨度空间拱桁架结构主要应用于体育场馆、会展中心等人群集中的公共建筑，这些建筑还同时作为地震时的安全避难所，故抗震性能的研究尤为重要。然而，目前对拱桁架结构在地震尤其是强震下的抗震性能和破坏机理尚缺乏深入的研究。
　　 本文以拟动力试验(也称联机试验)的拱桁架模型为研究对象，设计了拱桁架模型拟动力试验的试验设备及试验流程，并根据试验流程分析了拱桁架模型在地震作用下的动力响应、破坏形态和机理，主要工作如下：
　　 一、设计了跨度为6米，矢跨比为0.3的拟动力试验拱桁架模型，进行了拱桁架拟动力试验所需的一系列试验设备设计及试验流程设计。
　　 二、基于动力特性等效的原则对结构质量进行简化，用有限元方法进行了拟动力试验的模拟。模拟分析时考虑了结构的初始应力状态、几何非线性效应，得到了节点位移响应、最大节点屈服位移比、结构塑性发展和破坏形态等响应指标。
　　 三、分别对结构在三种地震波(EL波、宁河波、人工波)下竖向地震作用时的动力响应差异进行了比较。发现结构在EL波作用下响应最为明显，从而指导试验中直接以EL波进行加载。
　　 通过本文研究，主要得到以下结论：
　　 1、设计了试验模型和试验装置，对试验模型进行了稳定性能分析，且试验模型满足试验要求。
　　 2、对试验模型进行试验模拟分析，当地震的加速度峰值较小时，结构的特征响应随加速度的增加呈线性增加；加速度峰值继续增加，结构的部分杆件进入塑性，整个结构的振动平衡位置跃迁；当加速度峰值增大到临界荷载时，主桁架中部的杆件变形严重，结构整体失稳。
　　 3、在不同地震波作用下，结构临界加速度峰值差别较大，在人工波作用下的临界荷载最高，宁和波次之，EL波最低。破坏形态大体相同。并选定试验加载波形为EL波。
　　 4、模型结构在EL波作用下，弹性界限加速度值为1.0X105Gal，塑性界限加速度为2.225X105Gal，首先进入塑性的杆件为最靠近支座处的38号和48号杆单元，结构最大节点屈服位移比为4.971。结构在加速度峰值达到2.6 X105Gal时发生倒塌破坏，最大节点位移为269.31mm，发生在拱桁架居中节点(7号节点)位置。