考虑下部支承的双层柱面网壳三维隔震研究

作     者：朱兴龙 

作者单位：中国地震局工程力学研究所 

学位级别：硕士

导师姓名：聂桂波

授予年度：2019年

学科分类：081405[工学-防灾减灾工程及防护工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：双层柱面网壳结构 下部支承 三维隔震支座 振动台试验 数值模拟 

摘      要：随着社会进步与经济发展,各类大跨空间结构层出不穷,作为大跨空间结构的一种重要结构形式,双层柱面网壳结构在工业及民用建筑中应用广泛。双层网壳结构被普遍认为比单层网壳结构地震承载能力更强,因而导致现有大跨空间结构研究多集中于单层网壳结构,对双层网壳结构地震响应规律研究较少,对考虑下部支承的双层网壳结构研究更是几近空白。2013年4月20日四川省芦山县发生里氏7.0级地震,位于震区的芦山中学体育馆与芦山县体育馆发生破坏,这两个空间网格结构均为汶川地震后根据新的《建筑抗震设计规范(GB 50010-2010)》设计建造,这说明现有规范对双层网壳结构在下部支承作用下的响应规律研究相对较少,对考虑下部支承的双层网壳结构强震失效机理需要进一步的研究。为充分研究考虑下部支承的双层柱面网壳结构地震响应规律以及新型三维隔震支座在结构中的隔震效果,本文对典型结构进行了地震模拟振动台试验和数值分析,获得了结构在不同设计参数下的抗震和隔震的响应特点和规律。论文主要研究内容如下:1、考虑下部支承的双层柱面网壳结构有无隔震振动台对比试验设计了空间双层柱面网壳缩尺模型,利用地震模拟振动台对模型结构进行了不同地震动下的逐级加载,考察了非隔震双层柱面网壳结构破坏特点和规律,试验结果表明:下部支承结构对上部双层柱面网壳结构的动力放大效应是导致结构破坏的重要原因。继而在双层柱面网壳试验模型底部安装新型三维隔震支座,获得了地震作用下新型三维隔震支座的工作状态,考察了结构在隔震情况下的动力响应。结果表明:新型三维隔震支座可以有效降低双层柱面网壳结构强震下的动力响应,且在不同荷载工况下均具有良好的隔震性能。2、双层柱面网壳结构振动台试验数值模拟根据试验模型相关参数,利用有限元软件ABAQUS对结构进行数值模拟。首先建立试验模型的数值模型,根据试验加载工况对非隔震数值模型与隔震数值模型分别进行动力时程分析。结果表明:非隔震模型数值模拟结果拟合程度较好,隔震模型数值模拟结果拟合程度相对较差,但是拟合误差依然在可接受范围内。这主要是因为新型三维隔震支座力学性能复杂,数值建模过程中对其进行了一定程度的简化导致了较大的误差。通过非隔震模型与隔震模型的数值模拟,验证了有限元模型所选参数的正确性,为考虑下部支承的双层柱面网壳结构足尺结构参数化分析奠定了基础。同时,根据数值模拟获得的结构振型发现,隔震支座通过延长自振周期,避开了地震卓越周期,从而显著提高结构抗震能力,且隔震结构前三阶变形形式主要为网壳结构整体平移,避免了结构自身变形导致的破坏。3、考虑下部支承的双层柱面网壳结构非隔震与隔震参数分析根据试验结构数值模拟参数选取经验,对考虑下部支承的足尺双层柱面网壳结构进行大规模有限元分析,考察了结构动力响应规律随下部支承结构高度与截面面积、长宽比、矢跨比、屋面质量的变化特点与规律,并对比了新型三维隔震支座在不同结构中的隔震效果。结果表明:考虑下部支承结构的双层柱面网壳结构抗震承载力均小于不考虑下部支承时的结构抗震承载力;下部支承结构的动力放大效应、扭转效应、滤波效应是导致结构抗震性能变差的主要原因;下部支承结构高度越高,结构动力响应越大,地震失效极限荷载越小;下部支承截面过小或过大,结构动力响应均会增大,地震失效极限荷载减小;长宽比过大或过小均会降低结构地震失效极限荷载;矢宽比主要通过影响结构竖向地震承载能力改变结构地震失效极限荷载;屋面荷载越大,结构动力响应越大,抗震极限承载能力越小。对不同参数结构,新型三维隔震支座均具有良好的隔震能力,且结构受到的动力响应越大,隔震支座隔震效果越好。隔震支座位置对结构整体隔震效果影响显著,层间隔震对下部支承结构隔震效果有限,基础隔震对下部支承结构具有良好的隔震效果,对上部双层柱面网壳结构隔震效果也优于层间隔震。