强震下大跨空间网格结构的损伤多尺度效应及其失效机理研究

The evolution of the structural damage under earthquake is an important reason of the failure of the structure. In this project the multi-scale effect of damage and failure mechanism are researched for the Long-Span Space Lattice Structures. Firstly, the multi-scale physical mechanism and its coupling mechanism under earthquake of this kind structure are studied to build the multi-scale analysis model，and an effective calculation method is also put forward for the nonlinear analysis of the structural damage. Secondly, the dynamic damage constitutive relations of the structural material and the structural seismic damage model under complicated loading states are set up through the analysis the evolution behavior of the structural damage on the material scale, and then the transformation law of the damage cumulative effect between different scales is explored. Thirdly, a multi-scale refinement analysis model is taken to simulate the seismic failure process of the structure and the failure criterions are put forward for the structural members and the structure. The links of the member damage, local failure and the collapse of the whole structure are investigated to reveal the seismic failure mechanism of the structure. Lastly, a theory and method are studied for the optimization of the failure mode of the structure to the control of the damage process, and measures are presented to improve the earthquake collapse resistance. This study is to reveal the failure mechanism and the evolution rule of the earthquake damage of the Long-Span Space Lattice Structures. It has important theoretical significance and application value for the improvement of the seismic resistance of this kind of structure.

强震下结构的损伤演化行为是结构失效的主要原因，本项目以大跨空间网格结构为研究对象，研究此类结构在强震下的损伤多尺度效应及其失效机理。从结构的多尺度物理机制及耦合机理出发，研究适用于结构损伤非线性分析的多尺度建模理论和高效的计算方法。考虑结构材料尺度的损伤演化行为，建立复杂受力状态下的材料动力损伤本构模型和结构的地震损伤模型，探索损伤累积效应由低阶尺度向高阶尺度迁移转化的规律。提出强震下杆件失效及整体结构破坏的判别准则，基于结构的多尺度精细化分析模型，模拟结构的地震损伤破坏过程，探讨杆件损伤、局部失效和整体结构破坏之间的内在联系，揭示结构的强震破坏机理。在此基础上深入研究结构地震失效模式优化及地震损伤破坏过程控制的理论和方法，提出提高结构强震下抗倒塌能力的控制措施。本研究对揭示大跨空间网格结构的地震损伤演化规律和倒塌破坏机理，增强此类结构的抗震能力具有重要的理论意义和应用价值。

大跨空间网格结构是国家重大工程中常用的一种重要的结构形式，结构在加工制作过程中难免存在微裂缝和应力集中等缺陷，以及施工误差等因素，使得结构在服役期内处于损伤工作状态，导致结构抵抗荷载的能力下降，在外力作用下结构杆件容易发生屈曲、脆性破坏或断裂，甚至引发结构倒塌等灾难性事故。而结构的破坏是材料损伤向构件失效和结构整体倒塌的损伤演化过程。因此，本项目的研究包含三方面：1、研究适用于空间网格结构地震破坏模拟的结构多尺度建模理论和分析方法；2、揭示结构在地震作用下的材料损伤向构件失效和结构破坏的跨尺度演化机理；3、提出结构地震破坏模式的优化控制措施。. 取得的主要进展与成果如下：1、提出了适用于空间网格结构的多尺度有限元建模方法，并考虑材料损伤累积效应，实现了网壳结构地震作用下损伤演化的全过程模拟，总结了不同杆件截面尺寸、矢跨比、初始几何缺陷、支座约束数量等参数对结构抗倒塌能力的影响。2、利用Park-Ang地震损伤模型，采用曲线拟合法得到模型组合系数与构件轴压比、长细比和径厚比等参数间的关系式，建立了结构的地震损伤评估模型；3、提出了结构构件的易损性及其冗余度的评价指标，并提出通过加强低冗余-高易损构件，削弱高冗余-低易损构件的方法，从而提高荷载作用下的结构抗倒塌能力；4、提出了构件重要性的评估方法，以及实现结构构件冗余度与节点连接能力均衡分布的优化措施，减小了构件以及节点间的重要性差异，提高了结构抵抗荷载的能力；5、开展了结构构件截面、节点的拓扑优化研究，对比空心球节点，拓扑优化得到的节点具有形态新颖、受力合理的特点。. 本研究的相关理论和方法可用于此类结构的安全性分析，对提高结构的整体性能具有积极的理论意义和应用价值。