本文關(guān)鍵詞：拱形立體桁架倒塌破壞機理：數(shù)值分析與試驗研究

  更多相關(guān)文章： 拱形立體桁架 倒塌破壞機理 抗倒塌性能 損傷累積 壓桿失穩(wěn) 振動臺試驗

【摘要】：近年來,大跨度拱形立體桁架結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于體育場館、交通樞紐、會展中心等大型公共建筑中。大型公共建筑在施工或者正常使用過程中,如遭遇極端天氣、地震災(zāi)害或發(fā)生荷載、環(huán)境變化時,可能產(chǎn)生局部或整體結(jié)構(gòu)的倒塌破壞,帶來巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此開展該類結(jié)構(gòu)倒塌破壞機理研究和抗倒塌性能的研究,尋求遏制或防止結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌破壞的技術(shù)措施,具有重要的理論和現(xiàn)實意義。目前針對大跨度拱形立體桁架結(jié)構(gòu)體系的研究只限于靜力分析及地震作用下的動力響應(yīng)分析,而強震作用下該類結(jié)構(gòu)的倒塌破壞機理仍不明確。本文從理論分析、數(shù)值模擬和試驗研究三個方面對該類結(jié)構(gòu)的倒塌失效機理進行了研究,區(qū)分了拱形立體桁架結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的兩種失效模式:動力失穩(wěn)破壞和動力強度破壞,同時分析了不同支撐形式對結(jié)構(gòu)失效模式的影響。通過縮尺模型振動臺試驗,分析了模型的自振特性及動力響應(yīng)變化規(guī)律,得到了強震作用下拱形立體桁架結(jié)構(gòu)的薄弱位置和倒塌破壞極限位移。第1章介紹了空間結(jié)構(gòu)倒塌破壞的研究現(xiàn)狀,歸納了空間結(jié)構(gòu)抗倒塌性能研究方法,總結(jié)了空間結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌破壞的主要原因和倒塌破壞模式,剖析了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和平面桁架結(jié)構(gòu)體系的倒塌失效機制,最后區(qū)分了基于結(jié)構(gòu)層次和構(gòu)件層次的空間結(jié)構(gòu)倒塌破壞評定準則。第2章基于顯式積分算法編制了ABAQUS用戶材料子程序,考慮了損傷累積效應(yīng)和桿件失穩(wěn)后的力學(xué)性能,分析了損傷累積效應(yīng)和壓桿失穩(wěn)對桿件內(nèi)力和節(jié)點位移等結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響。計算結(jié)果表明:考慮損傷累積效應(yīng)使桿件軸向應(yīng)力減小、軸向應(yīng)變增大、相鄰節(jié)點位移增大;考慮壓桿失穩(wěn)使桿件應(yīng)力減小、應(yīng)變時程曲線向下偏移,而節(jié)點位移幅值變化不大。第3章對大跨度拱形立體桁架在動力荷載作用下的倒塌破壞過程進行了模擬,結(jié)果表明:地震作用結(jié)束后,主桁架失效位置主要集中于桁架柱身和1/4跨度處的斜腹桿,而主桁架弦桿和縱向桁架桿件均未失效。分析了損傷累積效應(yīng)和壓桿失穩(wěn)對結(jié)構(gòu)承載力的影響以及不同支撐形式對結(jié)構(gòu)抗倒塌性能的影響�？紤]損傷累積效應(yīng)時,拱形立體桁架結(jié)構(gòu)破壞加速度降低22.3%~46.7%;考慮壓桿失穩(wěn)時,拱形立體桁架結(jié)構(gòu)破壞加速度保持不變。與其他支撐形式相比,采用雙十字支撐時,結(jié)構(gòu)僅產(chǎn)生平面內(nèi)變形,可有效提高拱形立體桁架結(jié)構(gòu)抗平面外倒塌性能。區(qū)分了拱形立體桁架結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的兩種失效模式:當(dāng)荷載幅值的微小增量導(dǎo)致結(jié)構(gòu)特征響應(yīng)異常增大時,認為結(jié)構(gòu)發(fā)生動力失穩(wěn)破壞;若在結(jié)構(gòu)失穩(wěn)倒塌前,塑性發(fā)展深入,特征響應(yīng)已達到規(guī)定限值,則認為結(jié)構(gòu)發(fā)生動力強度破壞。第4章介紹了拱形立體桁架結(jié)構(gòu)振動臺試驗,得到了拱形立體桁架結(jié)構(gòu)在強震動下的動力響應(yīng)規(guī)律和破壞模式。試驗結(jié)束后,試驗?zāi)Ｐ蚗向和Z向等效剛度下降50%,而Y向等效剛度僅下降12.9%。地震波向模型頂部傳播過程中,地震響應(yīng)逐漸放大。當(dāng)人工波加速度幅值達到0.8g時,測點位移幅值迅速增加,結(jié)構(gòu)剛度退化明顯,主桁架斜腹桿大量屈曲。當(dāng)?shù)卣鸩铀俣确逯颠_到1.0g時,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生平面內(nèi)反對稱變形,剛度下降50%,喪失承載力。第5章將振動臺試驗結(jié)果和靜力彈塑性分析方法得到的拱形立體桁架結(jié)構(gòu)塑性鉸分布區(qū)域以及IDA法得到的結(jié)構(gòu)倒塌破壞極限狀態(tài)點進行比較,驗證了本文計算結(jié)果的正確性,并確定了強震作用下拱形立體桁架結(jié)構(gòu)的薄弱位置和倒塌破壞極限位移:在豎向地震作用下,結(jié)構(gòu)的薄弱位置主要位于跨中;在橫向地震作用下結(jié)構(gòu)薄弱位置主要位于桁架柱身;考慮壓桿失穩(wěn)時,1/4跨度處長細比較大的斜腹桿也將發(fā)生失穩(wěn)破壞。在豎向地震作用下拱形立體桁架結(jié)構(gòu)倒塌破壞極限位移可取結(jié)構(gòu)跨度的1/180;水平倒塌破壞極限位移可取結(jié)構(gòu)總高度的1/110或柱高的1/30。第6章為本文的主要結(jié)論和展望。
【關(guān)鍵詞】：拱形立體桁架 倒塌破壞機理 抗倒塌性能 損傷累積 壓桿失穩(wěn) 振動臺試驗
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TU323.4;TU312.3
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 緒論12-36
• 1.1 選題背景及研究意義12-18
• 1.1.1 空間管桁架結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用12-14
• 1.1.2 拱形立體桁架結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用14-16
• 1.1.3 大跨空間結(jié)構(gòu)倒塌事故16-18
• 1.2 空間結(jié)構(gòu)倒塌破壞研究現(xiàn)狀18-23
• 1.2.1 理論分析18-20
• 1.2.2 倒塌評定及設(shè)計方法20-21
• 1.2.3 數(shù)值模擬及試驗研究21-23
• 1.3 空間結(jié)構(gòu)倒塌破壞機理23-32
• 1.3.1 空間結(jié)構(gòu)倒塌破壞原因23
• 1.3.2 空間結(jié)構(gòu)倒塌破壞類型23-24
• 1.3.3 空間結(jié)構(gòu)倒塌破壞機制24-26
• 1.3.4 空間結(jié)構(gòu)倒塌判定準則26-32
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容32-36
• 1.4.1 研究思路32-33
• 1.4.2 主要研究內(nèi)容33-34
• 1.4.3 主要創(chuàng)新點34-36
• 第二章 基于自定義鋼材本構(gòu)模型的動力彈塑性分析36-62
• 2.1 動力非線性有限元計算原理36-38
• 2.1.1 隱式積分算法36-37
• 2.1.2 顯式積分算法37-38
• 2.2 自定義鋼材本構(gòu)模型38-50
• 2.2.1 塑性理論基礎(chǔ)38-43
• 2.2.2 損傷演化及斷裂準則43
• 2.2.3 考慮桿件屈曲的計算模型43-44
• 2.2.4 用戶材料子程序調(diào)用44-46
• 2.2.5 子程序驗證46-50
• 2.3 拱形立體桁架結(jié)構(gòu)動力彈塑性分析50-61
• 2.3.1 計算模型及分析方法50-52
• 2.3.2 損傷累積效應(yīng)對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響52-56
• 2.3.3 壓桿失穩(wěn)對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響56-58
• 2.3.4 節(jié)點位移響應(yīng)分析58-61
• 2.4 本章小結(jié)61-62
• 第三章 動力荷載作用下拱形立體桁架結(jié)構(gòu)失效機理62-84
• 3.1 拱形立體桁架倒塌破壞過程模擬62-69
• 3.1.1 自振特性分析62-63
• 3.1.2 三向輸入天津波作用下結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌過程分析63-66
• 3.1.3 三向輸入El Centro波作用下結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌過程分析66-69
• 3.2 拱形立體桁架倒塌失效機理69-77
• 3.2.1 動力失穩(wěn)和強度破壞判別準則69-71
• 3.2.2 水平簡諧荷載作用71-73
• 3.2.3 豎向簡諧荷載作用73-74
• 3.2.4 三向輸入天津波作用74-75
• 3.2.5 三向輸入El Centro波作用75-77
• 3.3 拱形立體桁架結(jié)構(gòu)承載力影響因素77-81
• 3.3.1 損傷累積效應(yīng)對結(jié)構(gòu)承載力的影響77-79
• 3.3.2 壓桿失穩(wěn)對結(jié)構(gòu)承載力的影響79-81
• 3.4 支撐形式對結(jié)構(gòu)破壞模式的影響81-83
• 3.5 本章小結(jié)83-84
• 第四章 拱形立體桁架結(jié)構(gòu)振動臺試驗研究84-117
• 4.1 試驗方案84-96
• 4.1.1 模型設(shè)計84-88
• 4.1.2 試驗?zāi)Ｐ陀邢拊治?/span>88-91
• 4.1.3 測點布置及試驗工況91-96
• 4.2 試驗結(jié)果分析96-108
• 4.2.1 結(jié)構(gòu)自振特性分析96-99
• 4.2.2 加速度響應(yīng)分析99-103
• 4.2.3 位移響應(yīng)分析103-106
• 4.2.4 桿件應(yīng)變響應(yīng)分析106-107
• 4.2.5 試驗現(xiàn)象107-108
• 4.3 數(shù)值分析結(jié)果與試驗結(jié)果比較108-115
• 4.3.1 數(shù)值模型的建立108-109
• 4.3.2 加速度響應(yīng)對比109-111
• 4.3.3 位移響應(yīng)對比111-113
• 4.3.4 應(yīng)變響應(yīng)對比113-114
• 4.3.5 破壞荷載及破壞形式114-115
• 4.4 本章小結(jié)115-117
• 第五章 拱形立體桁架結(jié)構(gòu)倒塌破壞特征響應(yīng)分析117-126
• 5.1 推倒分析方法117-119
• 5.1.1 能力譜法計算過程117-118
• 5.1.2 模態(tài)推倒法計算過程118-119
• 5.2 拱形立體桁架結(jié)構(gòu)薄弱位置分布119-123
• 5.2.1 豎向地震作用下薄弱位置分布119-121
• 5.2.2 橫向地震作用下薄弱位置分布121-122
• 5.2.3 與試驗結(jié)果的比較122-123
• 5.3 拱形立體桁架結(jié)構(gòu)倒塌破壞極限位移123-125
• 5.3.1 拱形立體桁架結(jié)構(gòu)倒塌破壞臨界狀態(tài)123-124
• 5.3.2 與試驗結(jié)果的比較124-125
• 5.4 本章小結(jié)125-126
• 第六章 結(jié)論與展望126-129
• 6.1 結(jié)論126-128
• 6.2 展望128-129
• 參考文獻129-136
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明136-137
• 致謝137-138

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本文編號：647026