大跨度悬臂桁架结构的强震失效机理.pdf

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1、齐春玲等：大跨度悬臂桁架结构的强震失效机理55大跨度悬臂桁架结构的强震失效机理齐春玲，支旭东(1．总后勤部建筑设计研究院。北京100036；2．哈尔滨工业大学土木T程学院．哈尔滨150090)【摘要】大跨度悬臂桁架结构因其力学性能好、经济指标优越、造型灵活多变，在工程中应用广泛，但其在强震作用下失效机理的研究尚属空白。本文通过大量参数分析，对悬臂桁架结构强震下的失效机理进行较为系统的研究，提出悬臂桁架结构的动力强度失效模式，总结材料损伤累积和初始几何缺陷对其强震响应的影响，为它在抗震区的工程应用提供参考。【关键词】悬臂桁架；强震作用；动力强度失效【中图分类号】TU393．3【文献标识码】

2、B【文章编号】1001—6864(2012)11—0055-03钢桁架结构因受力性能良好、形式变化多样，近表1计算参数年来在大跨空间结构中得到广泛应用。目前国内关暇蹁比屋力比荷载作用-于长悬臂桁架结构的静力性能研究较为深入，对该种L／mL／h／kg-m-2入方向损伤累积结构的自振特性和其在常遇地震下的受力性能有了较多的了解；国外学者对桁架结构的优化设计、稳定性和承载力方面研究成果丰硕。而国内外文献关于悬臂桁架结构强震下的响应问题，尤其是强震下的失效机制目前尚未提及。与桁架结构相比，网壳结本文以考虑材料损伤累积的CT30080910桁架在构的强震失效机理研究理论较为成熟，本文借助三向Taf

3、t波地震作用下为例，说明悬臂桁架结构在强网壳结构的抗震理论，对悬臂桁架结构在强震作用下震下的失效模式。的失效机理进行研究分析。图1列出了CT30080910桁架的各特征响应。由1研究模型及方法图1a可看出，荷载幅值400gal之前，结构保持弹性，荷(1)研究模型。选用空间悬臂管桁架结构，截载一位移曲线为直线。结构上弦根部第一根杆件开面为倒三角形，为简化计算将空间挑蓬屋盖简化成单始进入塑性(图2c)时，荷载幅值为400gal。荷载增榀桁架，以侧向约束(只限制侧向位移)来考虑横向支加，上、下弦根部的杆件相继进入塑性状态，荷载一位撑杆件的影响，屋面荷载以集中质量的形式施加于上移曲线发生变化。当

4、荷载为900gal时，除根部杆件已弦节点。利用有限元分析软件ABAQUS，选用PIPE截进人塑性外，中部两根上弦斜杆也进入塑性状态(图面的Beam31单元。缺陷分布选取悬臂桁架结构的第2d)，结构最大节点位移达到水平段临界点(图1a)，但一阶振型模态，缺陷点大小分别为结构悬挑长度的能够保持振动平衡(图lb)。当荷载增至950gal时，塑1／150、1／250、1／350、1／500。性杆件数量剧增，根部两个节间所有杆件完全进入塑(2)研究方法。本文以时程分析为基础、考虑性(图2e)，结构最大节点位移激增(图2b)，振动发散材料损伤累积的动力荷载域全过程分析方法，对悬臂(图1b)，发生倒塌

5、。在900gal前荷载一位移曲线符合桁架最大节点位移、不同屈服杆件比例、节点位移时悬臂结构的变形状态，但950gal时结构严重倒塌，可程曲线等几项结构特征响应进行全过程考察，给出结以推断950gal是结构的倒塌荷载，900gal是结构的失构塑性发展分布或结构最大变形时刻的整体变形图，效极限荷载(图2中进人塑性的杆件用圆圈标注，圆以便更直观地反应悬臂桁架结构的响应特点。圈大小表示杆件的塑性应变大小，数字表示杆件截面(3)参数分析。本文结构几何参数、杆件截面进入塑性积分点数)。均属工程常用参数，见表1，所选地震波持时为20s。通过分析可知，悬臂桁架结构随着荷载幅值的不为便于说明，本文的桁架参

6、数均用代号表示，例如：断增加，杆件塑性程度增大，最终因下弦杆件完全进CT30080910中，CT为悬臂桁架，30为跨度，08为跨高入塑性，结构变形过大而发生倒塌。倒塌时，结构塑比，09为屋面质量90kg／m，10为截面应力比1．0。性充分发展，该结构破坏形式属于动力强度破坏。2失效机理研究2．2、结构失效响应规律2．1悬臂桁架结构的典型失效模式(1)材料损伤累积的影响。从图3可看出，虑考56低温建筑技术2012年第11期(总第173期)1o()01．O8o0OI860og0．6罴4oo0．4柱O．22000．00O．10．20．30A0．5O4812l620(a】荷载幅值一最大节点位移曲

7、线(b)最大位移对应时程响应曲线图1特征响应曲线【a)900gal变形图(放大5倍)(c)4o性分布图_【翠馨罐挺簧(b)950gal变形图(缩小2倍)(d)9oog~魍性分布图(e)95ogal塑性分布图图2变形图和翅性分布图了材料损伤累积结构的极限承载明显降低，刚度弱化程度降低；但相同荷载幅值时，结构的最大节点位移速度加剧(图3a)；杆件进入8P的比例大幅下降(图和进入8P杆件比例却相差不大，见图3a、3b，表明相3b)，说明考