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双曲双扭钢管网壳结构抗连续倒塌性能建筑学分析

发布时间:2018-08-30 19:07 论文编辑:lgg 所属栏目:建筑学论文 关键词: 建筑学论文失效机理地震时程分析

本文是一篇建筑学论文,建筑学所涉及的建筑艺术和建筑技术、以及作为实用艺术的建筑艺术所包括的美学的一面和实用的一面,它们虽有明确的不同但又密切联系,并且其分量随具体情况。

本文是一篇建筑学论文,建筑学所涉及的建筑艺术和建筑技术、以及作为实用艺术的建筑艺术所包括的美学的一面和实用的一面,它们虽有明确的不同但又密切联系,并且其分量随具体情况和建筑物的不同而大不相同。本科建筑类专业包括:建筑学专业、城乡规划专业、风景园林等专业。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇建筑学论文,供大家参考。
 
第 1 章 绪论
 
1.1 研究背景和意义
1.1.1 空间网壳结构的兴起
近年来,社会物质文化飞速发展,人们对公共设施的需求日继增加,类似一些如博物馆、体育场、体育馆、大剧院等公共建筑,每日客流量巨大,因此为了确保这些建筑设施的正常使用,空间结构应运而生[1]。相比一般的平面结构而言,空间结构能够通过空间形态来抵抗外力,可以在空间美感和合理受力之间达到一种平衡。随着新形式、新材料、新技术的持续提升[2],国内外建筑师和结构工程师们掌握了越来越多有关空间结构领域的知识和技能,建造了众多的新型空间结构建筑[3]。网壳结构根据不同的标准可分为多种类型[4]。根据网壳的层数可以分为单层网壳和双层网壳,其中双层网壳(图 1.1)具有良好的抗弯刚度和薄膜内力,因此稳定性高,整体性好,能够在大跨度网壳结构中使用,而单层网壳结构由于杆件少,整体刚度不如前者,多用于小跨度结构[5]。根据工程实际情况,单层网壳结构往往不能满足承载力的要求,而双层网壳结构能确保受力性能和跨度要求,但是造价较高,因此工程多选用局部双(单)层网壳。局部双(单)层网壳结构的强度和承载力高于单层网壳结构,低于双层网壳结构,往往具有广泛的灵活性和工程实际使用效应[6]。按照曲面外形可将网壳结构分为柱面网壳、球面网壳和双曲抛物面网壳(扭壳)。其中球面网壳中常用的有肋环型、施威德勒型、凯威特型和联方型,柱面网壳常用的有三向网格型、联方型、单斜杆型和费普尔型,其具体结构形式见图 1.2和图 1.3。网壳结构的取材十分丰富,根据材料的划分,可以将网壳结构分类为木网壳、玻璃网壳、钢网壳、铝合金网壳和塑料网壳等(图 1.4-1.8)。网壳结构在大量工程实践中的应用,足以体现该结构的优势和价值潜力,其不但可以作为建筑的一种新颖合理的结构形式,而且也是社会发展进步的一种象征。
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1.2 国内外研究现状
 
1.2.1 连续性倒塌的研究现状
国内外学者对结构抗连续倒塌相关的分析主要致力于钢筋混凝土结构和钢框架结构两个方面,针对空间网壳结构抗连续倒塌性能的分析和研究相对少一点。近年来,学者们认识到这个问题,因此致力于网壳结构方面的研究,同时在网壳结构抗连续倒塌方面取得了一定的成绩。Corley[11]、Sozen[12]、Ellingwood[13]等人自联邦大楼倒塌事件发生后,通过研究指出,对于空间结构的连续性倒塌分析应该关注备用荷载路径、冲击荷载效应、加强关键构件这几个方面。Gioncu 根据两例倒塌事故,认为结构中一关键杆件的失效,将会导致该杆件附近范围内的构件相继失效,从而最终导致结构的一个整体倒塌[14]破坏的发生。这个观点与行业内的普遍认知有所不同,行业内相关论点主要依据空间结构的高冗余度,认为个别杆件的破坏并不会引发结构整体倒塌现象的发生。Min Liu[15]和 Jinkoo Kim[16]在对空间结构进行研究的过程中,将荷载的动力效应这一因素纳入备用荷载路径法中,最终给出了考虑荷载动力效应后,能够精准的模拟出结构的动力响应,故而推崇此方法在相关领域内的使用。蔡建国、王蜂岚等采用 AP 法对大跨空间结构进行抗连续性倒塌性能的研究时,提出了考虑初始状态下的等效荷载瞬时卸载法,该方法不仅能够考虑到结构构件失效前的初始状态,而且可以很好的模拟构件失效过程中的动力效应[17]。丁阳、汪明等人利用非线性显示动力分析软件和 LS-DYNA 模拟了钢框架结构在爆炸荷载作用下的动力响应以及倒塌过程,结论表明钢框架结构具有良好的抗爆性,同时详细阐述了不同规模爆炸下钢框架的损坏形式[18]。姚宇飞、师燕超研究了由爆炸引起关键杆件失效情况下的钢筋混凝土框架结构的动力响应和倒塌过程,揭示了 UFC4-023-03 规范中有关替代传力路径方法的不足,研究表明可以引入爆炸荷载放大系数,这样一来可以达到扩大考虑爆炸荷载作用范围的目的[19]。王铁成、刘传卿等基于改变传力路径法,考虑了失效时间和材料特性两个因素,对局部破坏的结构进行动力响应分析。结论表明结构的竖向位移和惯性与失效时间成反比,材料屈服强度的增大除了可以降低结构的竖向位移,也会给底层柱带来大的竖向惯性力[20]。
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第 2 章 连续倒塌相关规范与分析方法
 
2.1 连续倒塌相关设计规范
 
2.1.1 英国规范
英国建筑荷载规范 BS6399[28]写入的抗连续倒塌设计方法,首先是拉结强度法,结构整体的内部拉结力、竖向拉结力和水平向拉结力促使结构具有良好的稳定性和冗余度;其次是 AP 法,在结构某竖向构件发生破坏后,上部结构能够跨越局部破坏的扩散范围,依然可以维持结构的整体性和稳定性,保持良好的承载能力;最后是关键杆件法,构件意外破坏后,剩余结构不能跨越荷载导致大范围倒塌,该构件可作为结构的关键杆件进行设计。
 
2.1.2 欧洲规范
欧洲规范 Eurocode I 对结构的抗连续倒塌通过两个方面进行结构设计,一是通过降低偶然荷载的概率来控制结构倒塌破坏的发生,采用降低灾害发生的结构设计方法;二是在结构遭受局部破坏时,通过设计加强剩余结构的冗余度和稳定能力[29]。与英国规范不同的是,欧洲规范还划分了建筑结构的重要性分级,强调了不同等级的建筑物采用不同的设计方法。
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2.2 结构冗余度和构件灵敏度
冗余度表示结构除了必要的约束外多余的机构保障,同时也经常用来反映结构内力重分布的能力。充分的冗余度能够保障结构在遭遇意外荷载后,初始局部破坏不会蔓延,结构仍能正常使用,进而有效的降低连续性倒塌发生的可能性。几何非线性一般包含大应变、大变形和应力刚化三种情况,分析原理是得到每个加载结束的结构平衡方程,利用线性逼近的方法不断对结构进行迭代计算。材料非线性多指非线性弹性材料和超弹性材料等,对结构进行计算前需在有限元软件中明确结构材料弹塑性。结构失稳后发生屈曲破坏,实际结构通常都是发生极值点失稳,失稳前的结构位移较大且部分构件已经进入塑性。临界荷载可以通过荷载-变形曲线的极值点获得。对网壳结构进行双重非线性屈曲分析,选用理想弹塑性的材料模型,同时考虑了大位移和构件弹塑性效应[39]。本文采用基于概念判断的杆件敏感性分析方法,由特征值屈曲分析得到网壳结构的屈曲模态。
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第 3 章 双曲双扭网壳结构静动力性能分析...........19
3.1 结构分析模型........19
3.2 结构地震作用分析........22
3.3 结构风荷载作用分析........... 27
3.4 结构关键节点对比分析.......28
3.4.1 节点弹塑性发展过程....29
3.4.2 节点屈曲形态.........30
3.5 本章小结.........31
第 4 章 强震作用下双曲双扭网壳动力时程分析及比较.....32
4.1 结构参数方案........32
4.2 结构模态分析........33
4.3 地震波的选取和调整...........37
4.4 双曲双扭网壳结构(框架柱与柱斜撑组合)动力分析.....37
4.5 双曲双扭网壳结构(框架柱)动力分析...... 41
4.6 双曲双扭网壳结构(无底座)动力分析...... 45
4.7 本章小结.........49
第 5 章 双曲双扭网壳结构抗连续倒塌分析...........51
5.1 结构分析模型........51
5.2 双曲双扭网壳结构杆件的灵敏度分析.....55
5.3 双曲双扭网壳结构节点的灵敏度分析.....59
5.4 双曲双扭网壳结构抗连续倒塌性能分析.........62
5.5 本章小结.........65
 
第 5 章 双曲双扭网壳结构抗连续倒塌分析
 
本章以临夏民族大剧院这一实际工程为例,该屋盖为双曲双扭矩形钢管网壳结构。依据概念判断的敏感性分析方法,基于两种杆件截面形式(矩形截面和圆形截面)和三种下部支撑结构形式(框架柱与柱斜撑组合、框架柱和无底座),分析了各参数对双曲双扭网壳结构中的杆件及节点灵敏度值的影响。采用拆除构件法,对双曲双扭矩形钢管网壳结构的抗连续倒塌性能进行研究。根据结构强度破坏和失稳破坏判断准则,分析讨论了双曲双扭矩形钢管网壳结构的抗连续倒塌性能和失效机理。