基于损伤和能量原理的单层网壳抗震性能研究

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单层网壳结构以其合理的受力特性和优美的结构形式而被广泛应用于大跨空间结构。地震作用下基于损伤理论的结构动力反应研究是正确分析结构损伤、破坏机理的前提。为了摸清地震作用下单层网壳结构损伤、失效的发展过程及其破坏机理,基于损伤和能量原理对多例Kiewitt-8型单层球面网壳进行了考虑地震损伤积累效应的动、静力稳定性能研究。提出了将B-R准则与构件塑性应变能密度相结合判断结构动力稳定临界荷载的准则;分析了地震初次损伤后结构静力承载力的变化规律,以及余震对考虑地震损伤单层网壳结构的影响。最后,基于能量原理提出了考虑损伤积累效应的单层球面网壳动力时程分析中地震合理持时的判断方法,为该类结构抗震设计、性能评估和震后修复、加固提供参考。本文主要研究内容及结论如下:  (1)基于损伤理论,建立了考虑地震损伤积累效应的材料应变-损伤本构模型。通过ANSYS有限元软件,开发了考虑地震损伤积累效应的单层球面网壳动、静力分析程序。并通过算例验证了应变-损伤模型与有限元程序的正确性。  (2)提出将B-R准则与构件塑性应变能密度相结合,作为判断结构动力稳定临界荷载的准则。分析结果表明:该准则能够正确判断结构的动力稳定临界荷载;损伤积累效应严重影响单层网壳的最大塑性应变能密度、最大杆件轴力和结构破坏形态等动力反应结果。  (3)分析了考虑地震损伤积累效应后,满足现行规程设计的单层网壳结构的抗震能力,以及地震损伤对结构静力稳定性的影响。同时,进行了考虑余震影响的单层网壳动力损伤分析。计算结果表明:考虑地震损伤积累效应后,根据现行规程设计的单层网壳满足“三水准,两阶段”的设计目标;但是,结构遭受强震后静、动力稳定承载力明显降低。为相关规范、规程的编制提供参考。  (4)研究了考虑地震损伤积累效应的单层球面网壳结构不地震同持时下地震响应特性,基于能量原理提出了单层网壳结构考虑地震损伤效应的动力时程分析中合理地震持时的判断方法。研究结果表明:该地震持时判断方法能够正确判断动力时程分析的地震合理持时,为建立适用性更为广泛的单层球面网壳地震损伤分析模型提供基础。
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