張弦結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌研究.pdf

1、張弦結(jié)構(gòu)是一種新型的大跨空間結(jié)構(gòu)，本文通過對張弦結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的研究，以達到認識和提高預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力，為大跨空間結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌設(shè)計提供理論和技術(shù)支持。
　　 抗連續(xù)倒塌的設(shè)計方法通常采用變換荷載路徑法（簡稱AP法），其首要內(nèi)容是確定結(jié)構(gòu)的移除構(gòu)件和它的幾何位置?，F(xiàn)有的抗連續(xù)性倒塌設(shè)計規(guī)范中僅規(guī)定了框架結(jié)構(gòu)的移除構(gòu)件選擇方法。大跨空間結(jié)構(gòu)形式多樣，體系復(fù)雜，桿件眾多，有多種荷載傳遞路徑和失效模式，不易判斷關(guān)鍵構(gòu)件

2、，如采用AP法對每根桿件移除進行殘余結(jié)構(gòu)的承載力計算會導(dǎo)致工作量非常大。因此，找尋一種簡便、快捷、可靠的結(jié)構(gòu)移除構(gòu)件判斷方法是非常有必要的。本文在P.C.Pandey等提出的基于敏感性分析方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)大跨空間結(jié)構(gòu)的受力特性和荷載特點，提出基于頻率靈敏度的對稱分組方法來判斷大跨空間結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件，不僅概念清晰，而且簡單易行。并通過對張弦桁架各類構(gòu)件分組后進行殘余結(jié)構(gòu)的極限承載力分析，得出張弦結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件分布規(guī)律:支座→索→支座處的

3、桁架下弦→跨中部分的上弦構(gòu)件。
　　 空間結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌分析不僅要考慮構(gòu)件的強度和穩(wěn)定，還要考慮結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)的影響。當采用有限元軟件進行連續(xù)倒塌分析時，能考慮構(gòu)件的局部穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)，但不能考慮構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的初始缺陷。桿件的初始缺陷包括桿件初始撓曲、初始偏心和殘余應(yīng)力等，可按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》相關(guān)規(guī)定考慮;結(jié)構(gòu)的整體初始缺陷可采用一致缺陷模態(tài)法考慮整體節(jié)點偏差。由于并不是所有的空間結(jié)構(gòu)都需要考慮整體初始缺陷，故采用彈性支承連

4、續(xù)拱模型對張弦結(jié)構(gòu)進行參數(shù)化分析，得到張弦結(jié)構(gòu)上弦的矢跨比小于0.05時，進行連續(xù)倒塌分析時可以不用考慮整體初始缺陷;大于0.05時，應(yīng)考慮整體初始缺陷。并根據(jù)桿件單元、桿件荷載-位移曲線、倒塌失效模式、空間結(jié)構(gòu)失效破壞準則等一系列假定，在通用有限元軟件ANSYS上二次開發(fā)，模擬空間結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的全過程。最后通過程序編制和算例分析提出空間結(jié)構(gòu)靜力仿真分析的計算流程，為空間結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計提供依據(jù)。
　　 張弦結(jié)構(gòu)的下弦拉索，與

5、剛性構(gòu)件不同，具有高應(yīng)力、只能受拉不能受壓等特點。而且撐桿與上弦和索的連接均為鉸接。當拉索的任一截面失效，拉索將迅速釋放應(yīng)變能，整個拉索完全失效，而拉索失效又將導(dǎo)致所有撐桿跟著轉(zhuǎn)動而失效。因此，拉索失效的模擬方法是研究張弦結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的重點。本文提出采用預(yù)應(yīng)力等效荷載法模擬張弦結(jié)構(gòu)的拉索失效，即同時移除索和撐桿，把索和撐桿的反力作用于上弦，對上弦進行該等效荷載在很短時間內(nèi)變?yōu)榱愕乃矐B(tài)動力時程分析。首先采用基于瑞利-里茲法推導(dǎo)預(yù)應(yīng)力張弦結(jié)

6、構(gòu)的豎向剛度和索的應(yīng)變能，得出下弦拉索中的彈性應(yīng)變能很大，可能會對預(yù)應(yīng)力等效荷載法的準確性產(chǎn)生影響;而張弦結(jié)構(gòu)豎向剛度較大，幾何非線性和應(yīng)力剛化對該方法的準確性影響較小。并通過預(yù)應(yīng)力等效荷載法與顯式計算結(jié)果的分析比較進一步證明索中蘊藏巨大的彈性應(yīng)變能，當索破壞時，索向兩端快速回彈，帶動撐桿，會對上弦的破壞起到加速作用。但由于這種作用是有限的，故可采用預(yù)應(yīng)力等效荷載法來模擬張弦結(jié)構(gòu)下弦索的失效。
　　 通過撐桿失效對張弦結(jié)構(gòu)各部分

7、力學性能影響的分析，得出撐桿失效會導(dǎo)致索松弛，從而引起預(yù)應(yīng)力損失，但由于預(yù)應(yīng)力大小對張弦結(jié)構(gòu)的極限承載力影響較小，且撐桿破壞引起的索力變化很小，故撐桿破壞導(dǎo)致索松弛對連續(xù)倒塌的不利影響可以忽略不計;撐桿破壞會導(dǎo)致矢高降低，是影響整體剛度降低的主要因素，根據(jù)張弦結(jié)構(gòu)的構(gòu)成特征，得出整體剛度的降低值一般不會超過15％，撐桿失效導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體破壞的概率很小;撐桿失效對張弦結(jié)構(gòu)的影響主要是導(dǎo)致剩余撐桿內(nèi)力增加和撐桿失效處上弦局部剛度降低，從而發(fā)生

8、撐桿接連失效的連續(xù)倒塌或上弦局部破壞的倒塌。根據(jù)張弦結(jié)構(gòu)的受力特點，假定張弦結(jié)構(gòu)為兩端受有集中力的彈性連續(xù)梁進行分析，得到防止張弦結(jié)構(gòu)發(fā)生上弦局部破壞和撐桿連鎖破壞的充分條件。最后通過對多種張弦結(jié)構(gòu)模型撐桿失效的參數(shù)化分析，證明了理論推導(dǎo)的正確性，并總結(jié)出張弦結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌時，完整結(jié)構(gòu)的相鄰撐桿之間上弦的跨高比宜控制在10以內(nèi);撐桿長細比應(yīng)控制在100以內(nèi)。
　　 空間結(jié)構(gòu)整體剛度較低，桿件失效后剩余結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)塑性。塑性化程度

9、對動力放大系數(shù)影響較大，使得動力放大系數(shù)具有不確定性。一方面由于剩余結(jié)構(gòu)屈服后的塑性化程度與需求能力比DCR有關(guān)，另一方面由于空間結(jié)構(gòu)常以桿件的應(yīng)力比值作為設(shè)計的控制指標，且桿件平均應(yīng)力的大小能直觀的反映DCR的大小。故提出采用應(yīng)力比值法研究張弦結(jié)構(gòu)的動力放大系數(shù)，其方法為:在設(shè)計荷載組合下控制結(jié)構(gòu)不同的平均應(yīng)力比值，得到不同構(gòu)件截面大小的結(jié)構(gòu)模型，然后對這些模型進行動力放大系數(shù)的分析;選取(LD+0.25 LL)和(1.2LD+1.4

10、LL)區(qū)間內(nèi)的不同值作為外荷載，以反映荷載大小對動力放大系數(shù)的影響。另外，當構(gòu)件失效后，如果剩余結(jié)構(gòu)進入塑性狀態(tài)，在靜力荷載增加不大的情況下，可能導(dǎo)致位移增加很多。為了充分研究動力放大響應(yīng)，定義了兩種動力放大系數(shù):位移動力放大系數(shù)DIF和荷載動力放大系數(shù)β，并通過對這兩種動力放大系數(shù)的分析得到張弦結(jié)構(gòu)動力放大系數(shù)的建議值。
　　 結(jié)合天津梅江會展中心張弦結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌設(shè)計，探討大跨空間結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的設(shè)計方法，提出以下張弦結(jié)構(gòu)

11、抗連續(xù)倒塌的措施:(1)縱向聯(lián)系構(gòu)件把張弦結(jié)構(gòu)組裝成一整體，可以明顯增加張弦結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力;(2)充分利用山墻方向的抗風柱，使其不僅承擔水平風荷載，還承擔豎向荷載，可大幅度提高排架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力;(3)采用雙索布置能大大加強張弦結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力，并提出豎向平面內(nèi)布置雙索，可較好的解決平行布置雙索中某根索破壞后引起偏心扭轉(zhuǎn)的不利影響;(4)要保證張弦結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的延性破壞不僅要保證完整結(jié)構(gòu)為延性結(jié)構(gòu)，而且保證某處截面削弱或破壞