考虑钢材低周疲劳的钢柱支承单层球面网壳强震响应及破坏机理研究.docx

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1、考虑钢材低周疲劳的钢柱支承单层球面网壳强震响应及破坏机理研究单层球面网壳结构是大跨度空间结构的主要形式,由于其造型优美及受力合理,已经被广泛应用于世界各地,其中包括地震多发地区。大多数单层网壳都建立在下部支承结构上,当地震发生时,带下部支承结构的单层网壳往往作为人们的避难场所,所以必须要系统地研究带钢柱支承单层网壳结构在强震作用下的破坏模式和失效机理,保证结构在地震作用下的安全性。目前对于带钢柱支承的单层网壳强震响应的研究都是将下部支承结构与上部网壳结构分开研究,但是实际上下部支承结构和上部网壳之间具有相

2、互作用,而且现有研究均未同时考虑杆件屈曲和材料低周疲劳的影响,这样会导致计算结果不精确,无法得到准确的带下部支承结构单层球面网壳在地震作用下的强震响应。因此,研究带钢柱支承单层球面网壳的倒塌破坏机理时应该同时考虑杆件屈曲、材料低周疲劳和下部支承结构三个方面因素的影响。本文主要针对圆钢管的低周疲劳性能和带钢柱支承单层球面网壳在强震作用下的破坏模式和失效机理进行了研究,主要完成了以下三个方面的工作:(1)对单层球面网壳的主要杆件-圆钢管进行低周疲劳试验,通过对试验现象以及试件滞回性能的分析,发现圆钢管试件均在

3、受拉加载时发生断裂,且试件端部截面先于跨中截面发生断裂;圆钢管试件受压屈曲后受压承载力急剧下降,下降幅度达到最大受压承载力的70%以上,且随着荷载循环圈数的增加杆件的受压屈曲承载力有明显下降。通过对圆钢管进行低周疲劳试验,拟合了某现有低周疲劳本构模型中关键参数的计算公式,数值模拟和试验的对比及数理统计分析表明,该本构模型能较好模拟圆钢管在轴向往复加载下的低周疲劳性能,为国内常用牌号钢材圆钢管的轴向往复加载滞回模拟提供了有价值的参考。(2)采用考虑杆件屈曲和材料低周疲劳的建模方法,建立了带钢柱支承单层球面网

4、壳的有限元模型,采用IDA法研究了单层球面网壳在强震作用下的破坏模式和失效机理。研究结果表明:在小震作用下,是否考虑钢材低周疲劳对单层球面网壳的地震响应影响不大,但是在强震作用下钢材的低周疲劳对单层球面网壳的地震响应却有很大的影响;发现了单层球面网壳的三种破坏模式:网壳结构破坏、下部支承结构破坏、网壳结构和下部支承结构共同破坏;单层球面网壳PGA_u随着矢跨比的减小而减小或者不变,PGA_y随着矢跨比的减小而增大;支撑截面的增加会增大PGA_y,但同时会降低极限承载力PGA_u,支撑截面应该根据PGA_y

5、和(3)采用上述建模方法,用高强拉索支撑代替圆钢管支撑,采用IDA法研究下部拉索支撑单层球面网壳在强震作用下的地震响应,并与圆管支撑单层球面网壳的地震响应对比。研究结果表明:下部拉索支撑单层球面网壳的前两阶自振周期大于圆管支撑单层球面网壳,表明采用高强拉索支撑替换圆管支撑后,作用于结构的地震力减小,其受力性能得到较大改善;在大震作用下,下部拉索支撑单层球面网壳PGA_y明显大于圆管支撑单层球面网壳,表明前者的抗震性能优于后者;拉索支撑截面和网壳PGA_y之间没有明显的规律性,应根据抗震性能目标,试算得到最

6、优拉索截面。