【摘 要】
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空间拱-网壳组合钢结构是将拱与网壳两者的优点结合起来形成的一种新型结构形式,不仅可以提高经济效益,还能使得结构更具观赏性。拱与网壳分别作为独立的结构体系,目前对其研究已较为深入,而对于此类组合结构的受力性能尚无系统研究。本文以上饶市经开区高速收费站项目为研究背景,该结构以平行式双肋拱为主要受力结构,网架通过中部吊杆及两边悬挑处撑杆与拱相连。通过对空间拱-网壳组合钢结构的整体稳定性、地震作用下的动力
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空间拱-网壳组合钢结构是将拱与网壳两者的优点结合起来形成的一种新型结构形式,不仅可以提高经济效益,还能使得结构更具观赏性。拱与网壳分别作为独立的结构体系,目前对其研究已较为深入,而对于此类组合结构的受力性能尚无系统研究。本文以上饶市经开区高速收费站项目为研究背景,该结构以平行式双肋拱为主要受力结构,网架通过中部吊杆及两边悬挑处撑杆与拱相连。通过对空间拱-网壳组合钢结构的整体稳定性、地震作用下的动力弹塑性及抗连续倒塌性能进行分析,研究空间拱-网壳组合钢结构的受力性能,主要内容如下:1、对外倾、内倾和平行式三种形式拱-网壳组合钢结构进行弹性特征值屈曲分析,三种形式结构第一阶正屈曲模态皆为沿拱肋方向的整体屈曲(反对称屈曲),内倾式和平行式结构的稳定系数基本相同,外倾拱模型略低7%左右。对三种形式结构进行考虑初始缺陷的非线性分析,三种模型稳定系数也基本相同。屈服形式主要表现为拱与网架相连最外侧吊杆附近的网架杆件上出现大量塑性铰,最终导致结构发生失稳。2、使用ANSYS和SAP2000两种软件对平行式空间拱-网壳组合钢结构进行三维地震作用下的动力稳定分析,两种软件对网架杆件的稳定分析结果存在区别:由于有限元分析时网架杆单元通常不进行细分,只能考虑结构的整体初始缺陷及几何非线性变形,杆件的初始缺陷通常不考虑,故ANSYS并不能考虑杆件的受压屈曲,但SAP2000轴力铰模型屈服压力考虑了构件长细比影响,并采用国家规范的稳定系数计算压杆稳定,所以能反应出杆件的受压屈曲情况。3、对平行式空间拱-网壳组合钢结构进行三维地震作用下的动力稳定分析,在6度和7度罕遇地震作用下,结构的包络位移及选取特征点的位移时程曲线都随着地震峰值加速度的增加基本呈线性增加;8度罕遇地震作用时,由于两侧吊杆附近的网架构件上同时出现了大量塑性铰,结构振动幅度明显增大,位移时程曲线出现了较大的塑性变形,结构振动结束后回不到初始的静力平衡位置。4、考虑到拱-网壳组合钢结构的特点,分别模拟拱与网壳连接处的网架杆件及撑杆在地震作用下突然失效,研究整体结构后续抗连续倒塌性能。(1)当拱与网壳连接点的网架杆件发生失效时,左边悬挑部分网架由于缺少拱的约束,出现局部位移增大的情况。拆除杆件附近的极少数网架杆件因承受的轴向压力增大出现了塑性铰,塑性铰处于屈服和极限承载力阶段没有完全失效,根据结构抗连续倒塌性能判定准则,整体结构并没有发生连续性倒塌;(2)当拱与悬挑网壳处撑杆发生失效时,虽然与拆除撑杆相连的上部网架只出现了少量塑性铰,但由于内力重分布,与撑杆较近的吊杆附近网架上出现了大量塑性铰,有部分杆件已经完全失效,不能继续承担荷载,结构不再满足强度准则。被拆除撑杆一侧的悬挑网架的位移虽满足变形准则,但接近限定值,综合强度准则和位移准则,认为结构发生了连续性倒塌。撑杆是关键构件,在设计时应进行加强,避免撑杆失效后结构发生内力重分布造成连续性倒塌破坏。
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