单层球面K6网壳结构抗连续倒塌与抗震性能相关性研究

作     者：李启兵 

作者单位：西安建筑科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：田黎敏

授予年度：2020年

学科分类：081405[工学-防灾减灾工程及防护工程] 08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：单层球面网壳 连续性倒塌 抗震性能 相关性 动力试验 

摘      要：由极端雪荷载或由地震引起的局部杆件失效后导致大跨度空间钢结构整体倒塌的事故时有发生,此类事故均表明:部分重要杆件的失效均可能造成结构发生倒塌。单层空间网格结构虽然杆件数目众多,但部分重要杆件的失效将对结构抗连续倒塌及抗震性能产生不可估量的影响。因此以结构综合优化设计为目的,为同时加强结构在这两种工况下的抗倒塌性能,对单层空间网格结构抗连续倒塌及抗震性能相关性的研究尤为必要。本文对K6型单层球面网壳结构缩尺模型进行抗连续倒塌动力试验研究,并在试验验证有限元正确性的基础上,对足尺模型进行抗连续倒塌分析和抗震分析,主要研究内容及结论如下:(1)设计考虑不同矢跨比的单层球面网壳结构缩尺模型进行抗连续倒塌动力试验,分析局部杆件瞬时失效后结构的动力响应,试验结果表明:虽然K6-6与K6-8网壳均通过压杆机制抵抗连续倒塌,且倒塌时具有相同的倒塌模式:节点荷载通过周围局部拱效应传递,杆件失效后拱坍塌导致网壳结构发生连续倒塌。但K6-6倒塌过程缓慢,具有更好的抗连续倒塌性能。(2)对足尺结构进行抗连续倒塌分析,研究K6-6及K6-8网壳重要杆件的具体分布范围以及考虑重要杆件失效后的倒塌模式。对于重要杆件分布:K6-6网壳主要分布在靠近中心节点的第二～四环;K6-8网壳主要分布在第三～五环。对于倒塌模式,两种矢跨比网壳具有相同的连续倒塌模式:(1)肋杆失效时,以失效肋杆为对称轴,由与其下端相连的局部结构破坏引起的对称破坏模式;(2)环杆失效时,从局部拱失效造成的小三角形区域破坏开始,导致该失效环杆所在1/6区域破坏并向其左右两边对称发展,最终结构整体破坏。(3)对足尺K6-6及K6-8网壳进行抗震分析,研究其重要杆件分布范围及考虑重要杆件失效后的倒塌模式。对于重要杆件:K6-6网壳主要分布在第三、四环环杆周围;K6-8网壳主要为第二～六环肋杆周围。对于倒塌模式,两者倒塌模式相同:(1)肋杆失效时,以失效肋杆所在的完整主肋为对称轴,与失效肋杆下端相连的节点产生大位移后,引起局部区域形成关于该对称轴的对称破坏,该对称破坏继续对称扩展,最终导致整体结构完全坍塌;(2)环杆失效时,由位于环杆位置与失效杆件相连的节点产生竖向大位移开始,引起局部破坏并向周围扩展,导致1/6网壳区域所在两条主肋发生破坏,扩展至最后一条主肋破坏后,逐渐形成整体坍塌。(4)对比分析单层球面网壳结构抗连续倒塌和抗震分析中的重要杆件分布范围以及倒塌模式的异同,研究其抗连续倒塌及抗震性能的相关性。对于重要杆件相关性:K6型网壳均表现为部分重要杆件重合,部分重要杆件相互独立,对K6-6网壳,重合杆件占比为综合重要性杆件的56.25%。对K6-8网壳,重合杆件占比为综合重要性杆件的27.78%。对于倒塌模式相关性:考虑局部典型重要肋杆或环杆失效后,地震未改变K6型网壳的连续倒塌模式,两者倒塌模式表现出良好的一致性。(5)给出K6-6和K6-8网壳的综合重要杆件分布,并根据综合重要杆件分布范围给出两种综合优化方法:局部杆件截面优化和局部双层优化。两种优化方法均能有效提升K6型单层球面网壳结构的抗连续倒塌及抗震性能。