大跨度拱型剛架結(jié)構(gòu)倒塌破壞機理及其試驗研究.pdf

1、隨著國家各種重大社會經(jīng)濟活動的展開，一系列重大工程的建設(shè)給我國空間結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展帶來了良好的契機。不論是結(jié)構(gòu)形式還是結(jié)構(gòu)性能都需要研究學者對其深入研究。然而結(jié)構(gòu)在施工或者正常使用過程中荷載變化、使用功能、環(huán)境變化以及遭受各種災害，這些都會引起結(jié)構(gòu)的受力模式、受力性質(zhì)發(fā)生變化，導致結(jié)構(gòu)的損傷、失效甚至倒塌破壞。因此開展空間結(jié)構(gòu)倒塌破壞機理及設(shè)計理論的研究，從結(jié)構(gòu)本身出發(fā)，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。

2、
　　本文以拱型剛架結(jié)構(gòu)（實腹式拱型剛架和拱型立體桁架）為研究對象，研究其靜力穩(wěn)定性能以及失穩(wěn)形式，推導出拱型剛架在均布徑向荷載作用下的面內(nèi)失穩(wěn)及面外失穩(wěn)的臨界荷載的表達式、并研究其失穩(wěn)形式以及影響因素；研究拱型剛架的動力性能，推導出拱型剛架平面內(nèi)撓曲的周期的近似表達式；對一實腹式拱型剛架進行地震模擬振動臺試驗研究，了解模型阻尼比和自振特性；多遇、罕遇地震作用下的動力響應，在大震作用下試驗模型的塑性內(nèi)力重分布、變形發(fā)展過程以及破壞

3、形式；最后將IDA方法與能量原理相結(jié)合，提出了通過數(shù)值模擬方法確定結(jié)構(gòu)的倒塌破壞極限狀態(tài)點的方法。主要研究結(jié)論有：
　　1）根據(jù)線彈性穩(wěn)定理論，考慮剛架柱對結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形式和失穩(wěn)臨界荷載的影響，引入圓弧拱線剛度的折減系數(shù)，推導出實腹式圓弧形拱型剛架在均布徑向荷載作用下的面內(nèi)失穩(wěn)及面外失穩(wěn)的臨界荷載的表達式。
　　2）推導出實腹式圓弧形拱型剛架平面內(nèi)撓曲的周期的近似表達式。研究通過能量原理方法確定結(jié)構(gòu)的倒塌破壞極限狀態(tài)點,即當?shù)卣?/p>

4、作用結(jié)束時結(jié)構(gòu)的滯回耗能等于結(jié)構(gòu)的極限滯回耗能，該狀態(tài)即為結(jié)構(gòu)的倒塌破壞極限狀態(tài)，并與振動臺試驗結(jié)果對比并驗證。
　　3）對一實腹式拱型剛架進行地震模擬振動臺試驗研究。研究表明在多遇和罕遇水平地震波作用時，天津波引起的測點加速度、位移、應變的反應最強，Taft波次之，Loma波最弱。設(shè)置的側(cè)向支撐對結(jié)構(gòu)平面外的變形起到了很好的約束，使結(jié)構(gòu)的破壞形式呈平面內(nèi)的反對稱變形。結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌破壞是因為結(jié)構(gòu)內(nèi)部的塑性發(fā)展和位移變化的相互作用，

5、導致結(jié)構(gòu)的剛度不斷弱化，直到結(jié)構(gòu)內(nèi)部的塑性發(fā)展到一定程度時，結(jié)構(gòu)性能發(fā)生嚴重變化，使結(jié)構(gòu)無法抵抗外部的地震作用，結(jié)構(gòu)發(fā)生動力破壞。
　　4）采用抗彎剛度、抗剪剛度和抗扭剛度等效的原則，推導出了圓弧形鋼管拱桁架面內(nèi)失穩(wěn)和面外失穩(wěn)的臨界荷載的表達式。為防止結(jié)構(gòu)發(fā)生面外失穩(wěn)要向結(jié)構(gòu)面外施加必要的剛性側(cè)向支撐，以保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生面外失穩(wěn)。通過改變參數(shù)的變化范圍，研究了側(cè)向剛性支撐數(shù)目與影響因素的關(guān)系。
　　5）以圓弧形格構(gòu)式拱型剛架為

6、研究對象，推導出圓弧形格構(gòu)式拱型剛架在均布徑向荷載作用下的面內(nèi)失穩(wěn)的臨界荷載的表達式。研究表明：通過設(shè)置側(cè)向支撐保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生面外失穩(wěn)的前提下，當單榀圓弧形格構(gòu)式拱型剛架在均布徑向荷載作用下，平面內(nèi)失穩(wěn)模式會出現(xiàn)反對稱失穩(wěn)，或?qū)ΨQ失穩(wěn)。影響圓弧形格構(gòu)式拱型剛架面內(nèi)失穩(wěn)的因素有：圓弧拱半徑，拱的開角，桁架拱（或桁架柱）截面高度，桁架柱高，以及桁架拱和桁架柱的上弦截面類型。
　　6）推導出圓弧形格構(gòu)式拱型剛架在均布徑向荷載作用下的面外

7、失穩(wěn)臨界荷載的表達式，同時分析了面外失穩(wěn)臨界荷載以及側(cè)向支撐數(shù)目的影響因素。最后進一步分析結(jié)構(gòu)在均布豎向荷載作用下的穩(wěn)定性能。當桁架拱的開角≤100°（即矢跨比≤0.25）時，結(jié)構(gòu)在均布徑向荷載作用下的失穩(wěn)臨界荷載理論解能近似代表實際工程中的在均布豎向荷載作用下的失穩(wěn)臨界荷載理論解。
　　7）在IDA分析中，地震輸入能和結(jié)構(gòu)滯回耗能可以作為一種有效的地震動強度參數(shù)和結(jié)構(gòu)響應參數(shù)來選取。將IDA方法與能量原理相結(jié)合，提出了通過數(shù)值模