基于易損性與敏感性分析的大跨空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)失效機理研究.pdf

1、近年來，網(wǎng)殼等大跨空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)以其經(jīng)濟、美觀，能覆蓋較大空間等特點，廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。隨著結(jié)構(gòu)向跨度更大、體系更復(fù)雜的方向發(fā)展，其在強震等突發(fā)事件下的安全問題也日趨突出。然而國內(nèi)外對于大跨空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的抗倒塌設(shè)計理論仍不夠成熟，突發(fā)事件下的結(jié)構(gòu)破壞機理也尚未清楚。本文以單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)作為研究對象，探討空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的倒塌破壞機理，以期為該類結(jié)構(gòu)體系的抗倒塌措施設(shè)計提供理論依據(jù)。
　　 針對結(jié)構(gòu)的倒塌破壞問題，本文從結(jié)構(gòu)幾何

2、拓?fù)湟讚p性、考慮荷載作用的結(jié)構(gòu)易損性及結(jié)構(gòu)冗余特性三方面進行系統(tǒng)研究。
　　 本文基于結(jié)構(gòu)幾何拓?fù)潢P(guān)系，利用結(jié)構(gòu)易損性分析方法搜尋結(jié)構(gòu)失效模式。首先依據(jù)節(jié)點剛度定義表征結(jié)構(gòu)內(nèi)部連接性能的指標(biāo)參數(shù)—連接能力系數(shù)，用于衡量節(jié)點的連接質(zhì)量;然后根據(jù)連接能力的大小，將結(jié)構(gòu)劃分成不同層次的結(jié)構(gòu)簇，建立結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系的層級模型;最后對形成的結(jié)構(gòu)層級進行拆解，搜尋結(jié)構(gòu)的不同失效模式，識別結(jié)構(gòu)內(nèi)部的連接薄弱部位。本文編制了結(jié)構(gòu)易損性分析程序，并驗

3、證了其正確性和有效性。研究表明，基于結(jié)構(gòu)幾何拓?fù)潢P(guān)系的易損性分析方法能有效識別結(jié)構(gòu)的薄弱部位，并明確了其在大跨空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)失效模式分析中的優(yōu)越性和獨特性，為該類結(jié)構(gòu)體系的破壞模式分析提供了簡便可行的途徑。
　　 為進一步研究荷載作用下的結(jié)構(gòu)易損性問題，本文從結(jié)構(gòu)易損性的基本概念入手，建立了同時考慮結(jié)構(gòu)幾何拓?fù)潢P(guān)系和荷載作用效應(yīng)的易損性分析模型，將結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件及易損失效模式的確定作為研究重點。首先根據(jù)實際作用于結(jié)構(gòu)上的荷載形式，對

4、結(jié)構(gòu)施加單位作用力，以該單位力作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)作為結(jié)構(gòu)內(nèi)部連接能力的評價指標(biāo)，并利用單元的應(yīng)變能對其損傷破壞需求進行修正，以此為依據(jù)形成結(jié)構(gòu)層級模型;然后通過集簇與解簇過程識別荷載作用下的結(jié)構(gòu)薄弱位置。研究表明，本文提出的結(jié)構(gòu)易損性分析方法能比較準(zhǔn)確的定位結(jié)構(gòu)在實際荷載作用下的薄弱部位和其破壞位置。
　　 本文基于響應(yīng)敏感性對結(jié)構(gòu)的冗余特性進行研究，提出了地震作用下的結(jié)構(gòu)冗余度評價方法。以單元材料彈性模量的響應(yīng)敏感性作為冗余特性

5、的評價指標(biāo)，考慮了局部損傷對結(jié)構(gòu)整體性能的影響。在靜力與動力荷載作用下，分別采用單元的應(yīng)變敏感性或其時程峰值衡量結(jié)構(gòu)的冗余特性。本文以跨度為7.5m、矢跨比為1/2的單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)試驗?zāi)Ｐ蜑闄z驗對象，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的冗余特性能全面反映結(jié)構(gòu)的整體性能，體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)和其關(guān)鍵部位所在。對于空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，幾何特性是影響其冗余特性的重要因素，研究表明，在水平地震作用下，隨矢跨比的增大結(jié)構(gòu)的整體冗余特性呈下降趨勢，而對于豎向地震作用則隨矢跨