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预应力大跨度空间结构一旦发生连续倒塌,往往造成后果严重的人员和财产损失,而恰恰这类结构冗余度低,一旦有局部构件破坏,将很有可能发生大变形甚至连续倒塌。索承网壳和索穹顶由于诸多优点近几年被广泛运用到大型体育场所及公共建筑中。因此,对于它们有关这方面的研究是目前空间结构抗连续倒塌的热点。 本文采用大型通用有限元ABAQUS,分别建立索承网壳和索穹顶结构模型,基于构件拆除法,对它们进行连续倒塌分析,揭示这两种预应力空间结构连续倒塌的机理,并在分析结果的基础上提出抗连续倒塌方法——分舱法,并研究分舱法的有效性。主要研究内容及成果如下: (1)研究索承网壳考虑了结构杆件的屈曲 索承网壳的上层结构是一般的网壳,进而在发生连续倒塌过程中,杆件很有可能发生屈曲破坏而不是强度破坏。因此,本文运用了考虑杆件强度破坏和杆件屈曲的失效子程序,认为杆件单元一旦达到屈曲荷载或者塑性应变达到一定值就不能再承载,杆件单元将被删除。 (2)揭示索承网壳的连续倒塌机理 分析结果表明:索承网壳的局部构件的移除,会引起被移除构件的压力发生转移,并在被移除构件处发生凹陷。移除外层环向索后,结构出现明显振荡,在最初被移除处首先出现凹陷,由于外层撑杆支撑作用全部消失,上层网壳部分杆件压力增大明显,达到屈服荷载后,部分杆件断裂,进而发生类似“多米乐骨牌效应”,在失去诸多支撑后,由于上层网壳支撑不够,发生整体倒塌。 (3)研究考虑节点作用的索穹顶连续倒塌分析 索穹顶结构是一种全张力体系,主要构件是难以破坏的钢索,因此,对更容易破坏的节点的考虑成为研究的难点。本文区别于以往只在结构中加一至两个实体节点的做法,采用有限元ABAQUS,在研究实体节点的基础上,利用等代替换的方法,把索结构中所有节点等代替换成线单元,不仅能使结构对称同时考虑了所有节点对结构的作用。 (4)揭示索穹顶结构连续倒塌机理 在考虑节点作用的情况下,对索穹顶结构进行连续倒塌分析,分析结果表明:索穹顶结构一般难以破坏,在移除外层环向索后,结构发生大变形,构件内力逐渐变小,在大变形发生一定程度后,结构在几何最低点发生类似冲击的作用,部分节点被冲断,导致结构发生整体倒塌。 (5)提出抗连续倒塌方法——分舱法,并研究它的有效性 在研究索承网壳连续倒塌机理的基础上,提出抗连续倒塌的方法——分舱法。研究结果表明:利用分舱法设计后,结构能够使破坏控制在一定区域内,结构发生连续倒塌的可能性减小,能有效防止灾害的发生。