抗拔型摩擦摆隔震支座及其在K8型球面网壳中的应用研究

摘要

单层球面网壳造型优美、自重轻、经济合理、受力性能良好，近年来已在公共建筑领域中取得了广泛的应用。这类结构通常应用于人口较多的公共场所，且具有较高的重要性与安全等级，因此其抗震性能值得深入研究。　　传统摩擦摆支座(FPB)具有较强的竖向承载力、良好的抗扭性能和自复位能力，但应用于大跨空间结构时会产生抗拔能力不足等关键问题。针对上述问题，提出了一种适用于大跨空间结构的抗拔型摩擦摆支座(TFPB)，并从构件层面对其减震性能进行理论与数值分析。此外，对应用TFPB的单层球面网壳结构的静力性能以及抗震性能进行全面分析。本文主要研究工作如下：　　1.TFPB理论分析与有限元建模　　首先从理论层面研究了TFPB水平隔震体系的减震原理，然后给出了摩擦摆隔震结构的能量方程，并推导了TFPB的等效摩擦系数计算公式，最后建立并验证了TFPB的有限元实体模型。　　2.TFPB力学性能数值分析　　基于TFPB有限元模型，分析了支座水平位移、竖向压力、曲率半径与摩擦系数对其耗能特性的影响规律，并验证了等效摩擦系数公式的正确性。研究了TFPB的抗拔承载力、轴拉滞回特性以及偏拉极限状态下的稳定性，并评估了竖向抗拉减震体系对其水平滑移与自回复性能的影响。　　3.TFPB网壳结构静力与动力特性分析　　基于ANSYS有限元软件，首先建立了应用TFPB的K8型网壳结构有限元模型，并研究了其静力性能，然后提出了相应的补强措施并验证了补强的有效性。最后对不同矢跨比与跨度的TFPB网壳结构进行了模态分析，得到了TFPB隔震结构的动力特性。　　4.TFPB网壳结构抗震性能研究　　首先分析不同TFPB布置方案下网壳结构的减隔震效果，并提出了最优布置方案。其次基于最优布置方案，分析TFPB的减震效果，并验证不同矢跨比和跨度网壳应用TFPB的可行性。然后基于TFPB良好的减震效果，分析其抗拔刚度对减震效果的影响规律，并总结TFPB抗拔刚度选取的基本原则。最后对应用TFPB的K8型单层球面网壳结构抗震设计提出建议。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 引 言

1.2 大跨空间结构抗震性能研究现状

1.3 摩擦摆支座研究现状

1.3.1 摩擦摆支座构造

1.3.2 摩擦摆支座理论与试验研究现状

1.3.3 摩擦摆支座的推广与应用

1.4 存在的问题与研究意义

1.5 本文主要的研究内容

第 2 章 抗拔型摩擦摆支座理论分析及有限元建模

2.1 引言

2.2 新型支座构造

2.2.1 水平向减隔震体系

2.2.2 竖向抗拉减震体系

2.3 摩擦摆支座理论分析

2.3.1 等效简化过程

2.3.2 等效摩擦系数

2.3.3 支座回复力特性

2.4 TFPB 有限元模型建立与验证

2.4.1 支座参数及分析工况

2.4.2 支座有限元模型

2.4.3 有限元模型的验证

2.5 本章小结

第 3 章 抗拔型摩擦摆支座力学性能分析

3.1 引言

3.2 水平阻尼特性分析

3.2.1 水平滑移量对阻尼比、耗能量的影响

3.2.2 摩擦系数对阻尼比、耗能量的影响

3.2.3 竖向压力对阻尼比、耗能量的影响

3.2.4 曲率半径对阻尼比、耗能量的影响

3.3 竖向受力特性分析

3.3.1 竖向抗压强度

3.3.2 竖向抗拔性能检验

3.3.3 竖向轴拉滞回曲线

3.3.4 竖向偏心受拉极限强度

3.4 等效摩擦系数计算公式验证

3.5 自回复特性

3.6 本章小结

第 4 章 TFPB 球面网壳结构力学特性研究

4.1 引言

4.2 摩擦摆隔震结构动力方程

4.3 TFPB 单层球面网壳有限元模型

4.3.1 网壳结构几何特征

4.3.2 等效节点荷载与质量

4.3.3 TFPB 简化方式

4.4 TFPB 球面网壳静力性能研究

4.4.1 网壳结构内力和变形分析

4.4.2 网壳结构稳定性分析

4.5 TFPB 球面网壳结构模态分析

4.6 本章小结

第 5 章 TFPB 球面网壳结构抗震性能研究

5.1 引言

5.2 网壳结构动力分析方法

5.2.1 时程分析与增量动力分析

5.2.2 地震波的选取

5.3 支座布置方案影响规律

5.3.1 支座布置方案

5.3.2 结构减震效果分析

5.4 TFPB 网壳结构减震效果分析

5.4.1 TFPB 相对固定铰支座减震效果

5.4.2 TFPB 相比 FPB 减震效果分析

5.4.3 不同网壳结构 TFPB 的减震效果分析

5.5 结构减震效果评价指标

5.6 TFPB 竖向抗拔刚度影响规律

5.6.1 水平地震作用

5.6.2 竖向地震作用

5.6.3 三向地震作用

5.6.4 抗拔刚度选取原则

5.7 TFPB 网壳抗震设计建议

5.7.1 TFPB 网壳抗震设计流程

5.7.2 网壳结构抗震设计

5.7.3 TFPB 抗震设计

5.8 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录