考虑复杂效应影响的网壳结构强震失效机理及灾变控制研究

In recent years, the large-span spacial reticulated shell is utilized widely and developed rapidly due to the good integrity, the light weight, easy assembly and aesthetic beauty, etc. However, the lagged anti-seismic theory and catastrophe control theory limit the further development of reticulated shells. Therefore, on the basis of previous studies, the failure mechanism and catastrophe control of reticulated shells with the consideration of complex effects under severe earthquakes are investigated in detail. The main contents of this study includes: i) the study on modelling and catastrophe analysis technology of reticulated shells with the consideration of complex effects will be carried out; ii) catastrophe behavior and failure mechanism of reticulated shells with the consideration of complex effects under severe earthquakes will be investigated; iii) based on buckling restrained braces, the catastrophe control method of reticulated shells under severe earthquakes will be studied; iv) the dynamic perfomances and failure characteristics of the reticulated shells with the consideration of complex effects under severe earthquakes will be investigated through the structural experiments. Through these studies, the failure discrimination method, damage estimation method and catastrophe control method of this complex structural system under severe earthquakes will be established, which will provide massive reference material on anti-seismic design theory and catastrophe control theory of large-span spatial reticulated shells and provide theoretical support on the construction and development of reticulated shells in seismic zones of China.

近年来，大跨空间网壳结构因其具有整体性能好、结构受力合理、覆盖跨度大、技术经济指标优越、建筑造型灵活优美等特点而得到了日益广泛的应用。然而，网壳结构抗震理论及灾变控制理论研究的滞后成为制约其进一步超越发展的关键问题。为此，申请者以前期研究为基础，对考虑复杂效应影响的网壳结构强震失效机理及灾变控制展开深入系统的研究，主要内容包括：（1）考虑复杂效应影响的网壳结构耦合系统建模及灾变分析技术研究；（2）考虑复杂效应影响的网壳结构耦合系统强震灾变行为及失效机理研究；（3）基于防屈曲支撑的网壳结构强震灾变控制研究；（4）考虑复杂效应影响的网壳结构耦合系统试验研究。通过本项目的研究，建立该类复杂结构体系强震失效判别方法、损伤评估方法和灾变控制方法，为建立大跨空间网格结构抗震设计理论及灾变控制理论提供大量详实和直接的参考材料，为我国大跨空间网格结构在地震区的建设与发展提供充分的理论支持。

本项目以精细化数值模拟技术和试验技术为主要技术手段，建立完善的可以同时考虑多种复杂效应影响的大跨空间网壳结构灾变时程分析技术，通过对考虑复杂效应影响的大跨空间网壳结构强震失效机理及灾变控制理论的系统研究，提出该类复杂结构体系强震失效判别方法、损伤评估方法和灾变控制方法。主要工作如下：1、考虑支承刚度影响的网壳结构强震响应规律。首先建立了支承结构与网壳结构整体分析模型，支承结构采用弹性材料假定，应用基于响应的动力荷载域全过程分析方法对考虑支承刚度影响的网壳结构进行强震失效分析，得到了考虑支承刚度影响的网壳结构强震失效模式；然后，通过大量的数值计算考察了支承刚度对网壳结构强震响应的影响规律，并探讨了产生这种影响的原因；最后，通过改变网壳结构的结构参数对整体结构进行了大规模的参数分析，系统地考察了结构的极限荷载随不同参数的变化规律。2、钢筋混凝土柱及钢柱支承网壳结构的强震失效机理。首先通过有限元软件ABAQUS分别建立了钢筋混凝土支承结构及钢支承结构的有限元模型；然后，分别对钢筋混凝土柱及钢柱支承网壳结构开展强震失效机理研究，分析了不同材料支承结构对网壳结构强震失效特征的影响，分别考察了钢筋混凝土柱及钢柱支承网壳结构的失效模式；最后，基于结构损伤理论建立了钢筋混凝土柱及钢柱支承网壳结构强震失效判别方法，得到了钢筋混凝土柱及钢柱支承网壳结构的强震失效规律；3、采用柱间防屈曲支撑的网壳结构灾变控制研究。首先在网壳结构的支承钢柱间设置防屈曲支撑，系统地考察防屈曲支撑对网壳结构失效特征响应的影响规律，通过对比不同支撑体系时结构的全过程响应，得到了防屈曲支撑的灾变控制效果；通过对典型算例的统计归纳，得到了柱间设置防屈曲支撑的网壳结构三种失效模式，提出了通过合理选取防屈曲支撑截面面积的方式达到控制结构失效模式的目的；最后，通过大规模的参数分析，讨论了防屈曲支撑的设计参数以以及结构参数对网壳结构强震失效特征的影响，并提出了应用防屈曲支撑时结构参数的合理取值技术。