空间网格结构强震损伤演化机理和抗震性能评估关键问题研究

Based on failure mechanism for spatial lattice structures subjected to severe earthquakes, reliability theory and performance-based seismic design theory,the project focuses on several key issues on mechanism of damage evolution and seismic performance evaluation of spatial lattice structures. The research contents include: (1) to obtain a generalized constitutive model considering material damage accumulation, conduct a test of circular steel specimens to investigate their hysteretic behavior, and develop the finite element model using a user defined material sub-routine UMAT incorporating ABAQUS to consider material damage accumulation; (2) to study the responses regularity of spatial lattice structures subjected to seismic load, conduct the vast scale parametric analysis of the failure mechanism of spatial lattice structures by whole-course analysis method using the refined material constitutive model; (3) to assess structural damage levels quantitative, establish structural seismic damage models based on multiple groups of IDA analysis results; (4) to carry out the seismic performance evaluation of spatial lattice structures, the structural performance levels and performance objectives is defined, then conduct seismic hazard and seismic fragility analysis based on the structural reliability theory.The research objectives for the project are to produce some applied theory on seismic performance evaluation for spatial lattice structures, the results obtained will promote the development on seismic design theory for spatial lattice structures.

本项目在空间网格结构强震失效机理研究的基础上，考虑可靠度理论和性能化的抗震设计思想，研究结构损伤演化机理和抗震性能评估领域的几项关键问题：（1）通过试验研究空间网格结构常用杆件Q345钢管的空间滞回特性，基于ABAQUS开发能够考虑材料损伤累积的子程序，建立通用的钢材考虑损伤累积的本构模型；（2）基于损伤累积的本构模型和动力增量全过程分析方法（IDA）开展空间网格结构强震失效机理参数分析，考察结构的强震响应；（3）建立地震动数据库，通过多组地震动IDA分析结果的拟合，建立结构的地震损伤模型，定量化评估结构损伤程度；（4）提出空间网格结构的多级性能水准和多级性能目标，引入结构可靠度理论，开展结构地震易损性分析和地震危险性分析，评估结构完成抗震性能目标的能力。本项目以实用化为研究目标，所取得的成果将为空间网格结构的抗震设计提供有力支持。

本课题提出了材料考虑损伤累积的本构模型并将之应用于单层空间网格结构强震失效机理分析中，提出了考虑初始偏心的曲线多段梁单元模型并将之应用于双层空间网格结构强震失效机理分析中，上述分析理论和方法均通过各自的振动台试验得到了验证，因此具有重要的理论意义和良好的应用前景。主要研究内容和结果如下：.针对单层空间网格结构，开展了30组Q345B圆钢管和15组Q235B方钢管的空间滞回试验，考察了此类试件的滞回特性；采用基于损伤编写的有限元软件ABAQUS的用户子程序，对空间三向加载条件下的试件进行数值模拟，并对模拟数据与试验数据进行拟合对比；利用最小二乘法对数据处理，最终提出了Q345圆钢管和Q235方钢管考虑损伤累积的材料本构模型；基于前期课题中开展的55组Q235B圆钢管试验，本课题获得了100组空间结构常用圆钢管和方钢管的空间滞回试验，获得了上述构件材料考虑损伤累积的本构模型。开展了单层空间网格结构振动台试验，获得了结构在不同幅值地震动作用下的动力响应，考察了结构的抗震性能。基于本课题获得的材料本构模型对试验进行了相应的数值模拟，验证了本构模型的准确性和数值分析程序的正确性。.针对空间双层网格结构，通过芦山地震开展了双层空间网格结构震害调查工作，结合结构周边台站的地震台站记录考察并总结了结构的震害特征，探讨了结构破坏的原因，芦山地震为突发超设防烈度地震，强烈的地震作用是空间双层网格结构发生如此严重破坏的首要原因，另一方面是由于我国的抗震设防标准偏低及结构的抗震安全储备不足造成的。开展了双层空间网格结构振动台试验，考察了此类结构的动力响应和抗震性能。对振动台试验和芦山震害中典型的双层空间网格结构采用了6种不同的本构模型进行数值模拟，结果表明考虑初始偏心的曲线多段梁单元模型的分析结果误差最小，因此建议在进行大震作用下的抗震能力分析时，摒弃杆单元模型，而采用考虑钢材失效材料模型和初始偏心的曲线多段梁单元模型进行模拟。