强震作用下空间网格结构的鲁棒性分析与倒塌控制研究

Spatial lattice structures are often used in larger landmark public buildings, such as gymnasiums, and the collapse of the structure under severe earthquake may cause significant loss and bad social influence. The structural robustness is the comprehensive embodiment of the capacity of the collapse resistance of structure, and the quality of it is a key to decide whether the structure have the capacity of anti-collapse. In this project the structural weakness and the importance of structural component under severe earthquake are taken into the theory analysis to decide the most unfavorable initial damage model of the structure, and a further study is carried out on the analysis of structural redundancy to evaluate the robustness of spatial lattice structures by considering the influence of local failure to the structure. Considering the influence of structure parameters, the propagation law of structure collapse under severe earthquake is researched from the point of the failure of structural component and the energy conversion, and the relationship between the process of structure collapse and structural robustness is built up to explore the internal relations among the robustness and the failure mode of structure. For the research of the control of structural robustness by the optimization of structure parameters a control index is put forward based on this relation to achieve the control of the structure collapse. This research project will be helpful in revealing the failure mechanism of spatial lattice structures under severe earthquake form the perspective of structural robustness, and it will be provide a good base for the theoretical study for the improvement of the capacity of anti-collapse of this kind structure under the rare earthquake.

空间网格结构常用于体育场馆等大型标志性公共建筑中，该类结构在突发事件中的倒塌破坏会造成重大损失和恶劣的社会影响。鲁棒性是结构抗倒塌能力的综合体现，其优劣是决定结构能否抵御倒塌的关键。本项目从结构薄弱环节、构件重要性两方面出发，通过理论分析，研究强震下的结构最不利初始损伤模型，在此基础上考虑构件失效对结构性能的影响，探讨结构冗余度的分析方法，建立空间网格结构鲁棒性的评估体系；考虑结构特征参数的影响，从构件破坏、能量转换的角度研究结构倒塌破坏的扩展规律，建立鲁棒性与结构倒塌过程及结构破坏模式之间的关系；利用这种关系，提出结构鲁棒性的控制指标，研究通过优化结构特征参数的鲁棒性控制策略，探索实现结构倒塌过程控制的方法。本项目的研究将从结构鲁棒性的角度揭示空间网格结构在强震下的倒塌破坏机理，为提高该类结构在罕遇地震下的抗倒塌破坏能力提供理论研究基础。

近年，大跨空间网格结构已大量应用于体育场馆等大型建筑中，其地震作用下的安全性不言而喻。为提高该类结构的抗震性能，将震后的灾害损失和人员伤害降至最低，本项目围绕大跨空间网格结构在地震作用下的鲁棒性和抗倒塌设计问题进行了深入分析。.1）结构的鲁棒性评估方法研究.采用结构易损性理论从结构组成角度分析了大跨空间网格结构的易损失效模式和结构薄弱部位所在。基于敏感性分析，以结构响应灵敏度为参数，提出了结构杆件冗余度的评价指标，实现了结构冗余度的定量评价，给出了以结构应变能为计算参数的结构杆件重要性衡量指标。建立了综合考虑杆件易损性、冗余度和重要性的结构鲁棒性评估指标，检验结构在地震下的鲁棒性能。研究结果为空间网格结构的易损杆件识别、杆件重要判断及结构综合鲁棒性能评价提供了简单可行的分析方法。.2）结构的地震破坏机理与破坏过程模拟研究.通过建立结构多尺度分析模型，模拟结构在地震作用下的破坏过程，分析了结构在强震下的失效机理。提出了满足精度和计算效率要求的大跨空间网格结构多尺度建模思路，对结构薄弱部位等易损区域采用细观单元模型而其他区域采用宏观单元模型。研究了结构地震破坏模式与其鲁棒性指标之间的联系和影响，同时基于结构地震易损分析理论，定量分析了结构在某一地震强度下发生破坏的可能性。研究结果为实现结构强震破坏过程的控制提供了切实可行的计算方案。.3）结构倒塌破坏过程优化控制方法研究.为提高结构的整体受力性能，控制结构的强震失效过程，利用遗传算法，以结构杆件的截面尺寸为优化参数，将结构杆件间的冗余度差异最小化作为优化目标函数，通过优选杆件截面实现了结构冗余度的均衡分布，使结构材料得到充分利用和结构整体性能的提高，实现了结构破坏过程的优化控制。研究结果为强震下大跨空间网格结构的失效过程控制提供了简单可行的方法和理论基础。