拱形立体桁架倒塌破坏机理数值分析与试验研究

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1、拱形立体桁架倒塌破坏机理:数值分析与试验研究CollapseMechanismofSteelArchTruss:NumericalAnalysisandExperimentalStudy国家自然科学基金面上项目（51078259）教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET10-0613）天津大学自主创新基金项目（2010XG-0013）一级学科：土木工程学科专业：结构工程研究生：徐颖指导教师：韩庆华教授天津大学建筑工程学院二零一四年六月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特

2、别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密

3、后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要近年来，大跨度拱形立体桁架结构被广泛应用于体育场馆、交通枢纽、会展中心等大型公共建筑中。大型公共建筑在施工或者正常使用过程中，如遭遇极端天气、地震灾害或发生荷载、环境变化时，可能产生局部或整体结构的倒塌破坏，带来巨大的人员伤亡和财产损失。因此开展该类结构倒塌破坏机理研究和抗倒塌性能的研究，寻求遏制或防止结构发生倒塌破坏的技术措施，具有重要的理论和现实意义。目前针对大跨度拱形立体桁架结构体系的研究只限于静力分析及地震作用下的动力响应分析，而强震作

4、用下该类结构的倒塌破坏机理仍不明确。本文从理论分析、数值模拟和试验研究三个方面对该类结构的倒塌失效机理进行了研究，区分了拱形立体桁架结构在动力荷载作用下的两种失效模式：动力失稳破坏和动力强度破坏，同时分析了不同支撑形式对结构失效模式的影响。通过缩尺模型振动台试验，分析了模型的自振特性及动力响应变化规律，得到了强震作用下拱形立体桁架结构的薄弱位置和倒塌破坏极限位移。第1章介绍了空间结构倒塌破坏的研究现状，归纳了空间结构抗倒塌性能研究方法，总结了空间结构发生倒塌破坏的主要原因和倒塌破坏模式，剖析了网架结构、单层网壳结构和平面桁架

5、结构体系的倒塌失效机制，最后区分了基于结构层次和构件层次的空间结构倒塌破坏评定准则。第2章基于显式积分算法编制了ABAQUS用户材料子程序，考虑了损伤累积效应和杆件失稳后的力学性能，分析了损伤累积效应和压杆失稳对杆件内力和节点位移等结构动力响应的影响。计算结果表明：考虑损伤累积效应使杆件轴向应力减小、轴向应变增大、相邻节点位移增大；考虑压杆失稳使杆件应力减小、应变时程曲线向下偏移，而节点位移幅值变化不大。第3章对大跨度拱形立体桁架在动力荷载作用下的倒塌破坏过程进行了模拟，结果表明：地震作用结束后，主桁架失效位置主要集中于桁架

6、柱身和1/4跨度处的斜腹杆，而主桁架弦杆和纵向桁架杆件均未失效。分析了损伤累积效应和压杆失稳对结构承载力的影响以及不同支撑形式对结构抗倒塌性能的影响。考虑损伤累积效应时，拱形立体桁架结构破坏加速度降低22.3%~46.7%；考虑压杆失稳时，拱形立体桁架结构破坏加速度保持不变。与其他支撑形式相比，采用双十字支撑时，结构仅产生平面内变形，可有效提高拱形立体桁架结构抗平面外倒塌性能。区分了拱形立体桁架结构在动力荷载作用下的两种失效模式：当荷载幅值的微小增量导致结构特征响应异常增大时，认为结构发生动力失稳破坏；若在结构失稳倒塌前，塑

7、性发展深入，特征响应已达到规定限值，则认为结构发生动力强度破坏。第4章介绍了拱形立体桁架结构振动台试验，得到了拱形立体桁架结构在强震动下的动力响应规律和破坏模式。试验结束后，试验模型X向和Z向等效刚度下降50%，而Y向等效刚度仅下降12.9%。地震波向模型顶部传播过程中，地震响应逐渐放大。当人工波加速度幅值达到0.8g时，测点位移幅值迅速增加，结构刚度退化明显，主桁架斜腹杆大量屈曲。当地震波加速度峰值达到1.0g时，结构产生平面内反对称变形，刚度下降50%，丧失承载力。第5章将振动台试验结果和静力弹塑性分析方法得到的拱形立体

8、桁架结构塑性铰分布区域以及IDA法得到的结构倒塌破坏极限状态点进行比较，验证了本文计算结果的正确性，并确定了强震作用下拱形立体桁架结构的薄弱位置和倒塌破坏极限位移：在竖向地震作用下，结构的薄弱位置主要位于跨中；在横向地震作用下结构薄弱位置主要位于桁架柱身；考虑压杆失稳时，1/4跨度处长细比