含下部支承单层网壳结构强震破坏机理及损伤评估精细化研究

Failure mechanism and damage evaluation of single-layer latticed shell with substructure under severe earthquakes will be studied combining theoretical analysis, numerical simulation and experiment. Firstly, the refined finite element model of the whole structure will be created with refined constitutive material model and fiber element, and the refined finite element modeling theory and method will be studied and improved. Then the failure mechanism and mode of upper shell, lower substructure and whole structure will be studied with incremental dynamic analysis method. And the research contents also include the reciprocal interaction and influence between upper shell and lower substructure, and the distribution of failure load limits of structure under severe earthquakes. At the same time, the influence of substructure stiffness, the connection pattern between upper and lower parts, member section, rise to span ratio, mass and initial geometrical imperfection of upper shell on failure mechanism, failure mode and load limit of the whole structure. Finally, damage parameters method and structural property degradation method will be used to study the seismic damage evaluation of the structure, aiming at a practical and effective seismic damage evaluation method for single-layer latticed shell with substructure. The research project will complement and refine the anti-seismic design theory and method of single-layer latticed shell with substructure, and provide sufficient theoretical support for its construction in seismic zone and valuable reference for anti-seismic design of other kind of spatial structures.

本项目拟通过理论分析、数值模拟和实验研究三者结合的方式对含下部支承单 层网壳结构的强震破坏机理和损伤评估进行研究。首先利用精细化材料本构和纤维单元建立 含下部支承单层网壳结构的精细化有限元模型，研究完善其精细化有限元建模理论与方法。 然后利用增量动力分析方法分别研究上部网壳、下部支承和整体结构的破坏机理和失效模 式，上部网壳和下部支承的相互作用和影响规律，整体结构强震破坏极限荷载的分布规律， 同时系统研究下部支承刚度、上下部连接方式、上部网壳杆件截面、矢跨比、质量以及初始 几何缺陷等结构参数对结构强震破坏机理、失效模式和极限荷载的影响规律。最后分别以损 伤参数法和结构特性退化法对其地震损伤评估进行研究，提出实用有效的损伤评估方法。本 项目将丰富和完善单层网壳结构的抗震设计理论和方法，为其在地震区的建设提供充分的理 论支持，也可为其他类型空间结构的抗震设计提供重要参考价值。

本项目通过理论分析、数值模拟和实验研究三者结合的方式对含下部支承单层网壳结构的强震破坏机理和损伤评估进行研究。主要进行了以下三方面的工作：.1、单层网壳强震响应分析有限元建模理论与方法：单层网壳在强震作用下，杆件承受往复轴向荷载和弯矩作用，且以轴力为主。利用OpenSees程序，基于单轴低周疲劳本构模型，应用多段梁法模拟杆件初始缺陷，给出了圆管杆件滞回模拟多段梁法建模参数取值，基于GB50017压杆稳定系数拟合了圆管等效偏心率和正则化长细比的关系式，该建模方法可有效模拟杆件在反复荷载作用下包括屈曲承载力下降和低周疲劳破坏在内的滞回性能。利用该建模方法对不同矢跨比的典型网壳进行了增量动力分析，结果表明：小震下是否考虑钢材的低周疲劳破坏对网壳的动力响应影响不大，但在强震下，考虑低周疲劳的模型的最大位移和塑性发展均大于不考虑低周疲劳的模型，在考虑低周疲劳后，某些情况下倒塌PGA下降幅度多达20%左右，说明对单层网壳的强震响应分析应该考虑钢材的低周疲劳。该部分研究中疲劳本构模型的参数有待实验数据的进一步拟合。.2、整体初始几何缺陷对单层网壳地震响应影响研究：提出了可保证节点偏差在空间任意方向上的分布相同的单层网壳随机几何缺陷建模方法；建立了不同矢跨比的单层凯威特网壳的有限元模型，对以一阶屈曲模态、一阶振型模态为整体初始几何缺陷和随机整体几何缺陷的网壳模型进行了增量动力分析，研究表明：整体几何缺陷对其强震响应的影响很大，一阶屈曲模态和一阶振型模态均不能作为最不利几何缺陷。.3、杆件缺陷对单层网壳地震响应影响研究：考虑杆件初弯曲方向随机分布，建立了不同矢跨比的单层球面网壳有限元模型，利用增量动力分析研究了杆件初始缺陷对其地震响应的影响。结果表明：当单层网壳处于弹性时，杆件初弯曲对其地震响应的影响可以忽略；地震动强度较大时，包含杆件缺陷和整体缺陷的单层网壳地震响应和仅仅考虑整体缺陷的单层网壳地震响应差异可能很大，两者最大位移的相对大小并无规律性。