拉索预应力柱面巨型网格结构抗震性能及参激振动研究

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拉索预应力柱面巨型网格结构是一种在巨型网格结构中布置预应力高强拉索而形成的刚柔组合预应力空间结构,具有较好的静力性能及稳定性。然而作为一种新型结构体系,其在地震作用下的性能研究远未达到与静力稳定性研究的同等水平;同时,作为主要受力构件的预应力拉索在地震作用下的振动呈现高度非线性,当结构的振动频率与拉索的频率满足一定关系时,拉索可能发生参激振动,引起拉索及其锚固端的破坏,导致拉索失效丧失承载力,最终影响空间结构的安全性及耐久性。因此,对拉索预应力柱面巨型网格结构的抗震性能及可能存在的拉索参激振动现象进行研究具有重要的理论与实际意义。本文主要开展以下工作:(1)采用Galerkin法建立了拉索轴向激励下的面内参激振动微分方程,通过数值积分法研究了各参数对拉索参激振动影响,提出了基于有限元的结构中拉索参激振动研究方法。(2)研究了拉索预应力柱面巨型网格结构的基本动力特性,获得了结构的振型频率,对结构各向振型首次出现的次序进行了参数分析,得到了各参数对结构各向刚度的影响。选取合适的地震波,采用时程分析法详细研究了地震波维数和结构矢跨比、跨度、杆件截面、支承形式对结构地震响应的影响。(3)对结构的抗震性能进行了深入分析。采用增量动力分析法,研究了结构失效前的屈服杆件分布及薄弱位置,分析了结构的失效机理,确定了结构的失效模式;通过大量算例分析,对结构的抗震性能进行了评估,得到结构在8度、9度罕遇地震作用下的失效概率接近于0%、15.0%,表明结构具有良好的抗震性能以及较高的安全储备。(4)对结构在简谐激励和地震作用下拉索发生参激振动的条件与诱发机制进行了探索性的研究,结果表明竖向简谐激励频率约为结构中某拉索一阶频率的2.07倍时,易诱发拉索发生参激振动,拉索振幅较未发生参激振动时增加了约13倍,索端部节点竖向位移和与之相连的撑杆轴力均有部分增大;并发现不同形体参数的结构中拉索均存在发生参激振动的可能性,提出对拉索施加一定阻尼来抑制拉索参激振动的方法;最终明确了结构抗震设计需要考虑拉索参激振动的影响。本文的研究对于合理设计与推广这类新型结构、保证结构在地震作用下安全可靠具有一定科学意义。
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