不同下部结构钢管拱桁架强震下的破坏机理研究

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随着建筑结构施工技术的发展和对建筑功能要求的提高,大跨度结构建筑得到了迅速的发展和应用。钢管拱桁架作为一种被广泛应用的大跨度空间结构,具有造型优美,受力合理,自重轻,刚度大等优点。但钢管拱桁架由于其特殊的结构性能更容易在动力荷载作用下发生失稳,而现在对拱桁架结构,特别是对带下部结构的拱桁架结构的动力稳定性研究尚处于研究阶段。因此,有必要对该类结构在地震作用下的非线性动力稳定性继续进行深入的研究。本文首先按工程实际设计了三种跨度为60m,矢跨比0.25的不同下部结构落地的拱桁架:直接落地钢管拱桁架结构、格构柱落地钢管拱桁架结构和H型钢柱落地钢管拱桁架结构。然后选用三种地震波对结构进行动力时程分析,通过对结构不同性能指标响应的分析来研究不同下部结构拱桁架的抗震性能、失稳模态和破坏机理。最后选择H型钢柱落地拱桁架结构,通过改变下部H型钢柱的刚度研究其对结构抗震性能及失稳模态的影响。通过计算分析,得出了如下结论:1)运用SAP2000软件对三种不同下部结构钢管拱桁架进行优化设计得到弹性阶段结构的内力和位移。结果表明:在弹性阶段格构柱落地拱桁架结构的杆件内力最大,直接落地拱桁架结构的杆件内力最小;结构在重力荷载代表值作用下,H型钢柱拱桁架结构的竖向位移最大,直接落地拱桁架结构的竖向位移最小。2)通过对结构的自振特性分析可知,三种不同下部结构拱桁架中直接落地拱桁架结构水平刚度最大,格构柱落地拱桁架结构的水平刚度最小。三种结构的水平向刚度都小于竖向刚度,结构自振都以水平向振动为主,并且结构在高阶振型下出现复杂的振动。3)对三种不同下部结构拱桁架输入三种地震波进行时程分析,结果表明:不同地震波引起的结构响应不同,地震波在水平向输入时Rgb波引起的结构动力响应最大;地震波在竖向输入时,Lwd波引起的结构响应最大。三种不同下部结构拱桁架都是水平向地震控制结构的抗震承载力。4)直接落地拱桁架和H型钢柱落地拱桁架结构在水平向地震输入时发生强度破坏,在竖向地震输入时发生动力失稳破坏;格构柱落地拱桁架在水平向和竖向地震输入时都是发生强度破坏。直接落地拱桁架和格构柱落地拱桁架结构在地震作用下的破坏始于拱桁架1/4处,H型钢柱落地拱桁架结构的破坏始于拱桁架1/4或1/8处。结构发生动力失稳破坏的原因是结构经历了较大的塑性变形,并且由于部分杆件达到极限强度后刚度退化,使结构不能保持原有位形而发生动力失稳破坏。5)三种拱桁架结构水平向的变形能力和消耗地震能的能力都比其竖向强,即三种拱桁架结构在水平向地震作用下延性更好,能吸收更多的地震能量。6)通过改变H型钢柱截面高度来改变拱桁架结构的下部结构刚度,然后选用Rgb波输入结构进行时程分析。计算结果表明:H型钢柱落地拱桁架结构的整体刚度随着下部结构刚度的增加而增加;结构抵御水平向地震的能力随着下部结构刚度的增加而减弱,而结构抵御竖向地震的能力随着下部结构刚度的增加而增加;随着下部结构刚度的增加结构的水平向位移延性系数逐渐增大,但竖向位移延性系数的变化比较复杂,随着下部结构刚度的增加结构的竖向位移延性系数先增大后减小。
摘要第3-6页
ABSTRACT第6-9页
目录第10-13页
第一章 绪论第13-19页
    1.1 引言第13-15页
    1.2 国内外研究现状第15-17页
    1.3 本课题研究的目的和意义第17-18页
    1.4 本文所作的工作第18-19页
第二章 计算模型及方法第19-37页
    2.1 计算模型概况第19-26页
        2.1.1 结构几何参数第19页
        2.1.2 材料参数第19-22页
        2.1.3 荷载及地震参数第22-24页
        2.1.4 荷载工况组合第24页
        2.1.5 阻尼参数的确定第24-26页
    2.2 结构动力弹塑性分析方法第26-31页
        2.2.1 静力弹塑性分析方法的提出与发展第26-27页
        2.2.2 动力弹塑性时程分析方法的原理第27-29页
        2.2.3 动力弹塑性时程分析计算方法分类第29-31页
    2.3 结构的动力失稳破坏准则第31-33页
    2.4 时程分析参数第33-37页
        2.4.1 时程分析中地震波的合理选用第33-35页
        2.4.2 时程分析时的分析方法和地震波时长第35-37页
第三章 不同下部结构拱桁架的自振特性及弹性阶段分析第37-47页
    3.1 不同下部结构拱桁架弹性阶段性能指标分析第37-41页
        3.1.1 不同下部结构拱桁架的用钢量分析第37-38页
        3.1.2 不同下部结构拱桁架弹性设计阶段结构的内力分析第38-39页
        3.1.3 重力荷载代表值作用下结构的位移分析第39-41页
    3.2 结构自振特性分析第41-45页
        3.2.1 基本理论第41页
        3.2.2 结构自振周期和振型第41-45页
    3.3 本章小结第45-47页
第四章 不同下部结构拱桁架弹塑性时程分析第47-91页
    4.1 三种下部结构钢管拱桁架时程分析第47-83页
        4.1.1 塑性铰判定准则及其参数第48-50页
        4.1.2 节点位移响应分析第50-59页
        4.1.3 杆件的塑性发展程度和结构的变形形态第59-70页
        4.1.4 最大节点屈服位移比第70-72页
        4.1.5 节点位移时程曲线第72-78页
        4.1.6 特征杆件的轴力时程曲线第78-83页
    4.2 H型钢柱的刚度对拱桁架结构抗震性能影响第83-89页
        4.2.1 H型钢柱刚度不同对结构自振周期的影响第83-84页
        4.2.2 节点位移响应分析第84-86页
        4.2.3 杆件塑性发展程度和结构变形第86-89页
        4.2.4 最大节点屈服位移比第89页
    4.3 本章小结第89-91页
第五章 结论与展望第91-93页
    5.1 本文主要结论第91-92页
    5.2 展望第92-93页
参考文献第93-97页
致谢第97-99页
攻读学位期间发表的学术论文第99页
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