大跨度单层空间网格结构抗连续性倒塌性能评估及设计方法研究

In view of the current shortage of progressive collapse analysis of large-span spatial steel structures, theoretical analysis, model test and numerical simulation are used to make the research on progressive collapse behavior evaluation and design method of large span single-layer spatial grid structures: Firstly, the evaluation method, criterion and failure model of important members for large span single-layer spatial grid structures are obtained, considered the influencing factors such as removal of members, buckling of compression members and dynamic effect. Secondly, the progressive collapse analysis method under local failure is established, considered the influencing factors such as construction effect, strain rate effect, failure time and fracture parameter. The selection criterion and equivalent method of linear model and nonlinear model, static analysis and dynamic analysis are put forward. Thirdly, the anti-progressive collapse rapid evaluation method of large span single-layer spatial grid structures is constructed and the robustness of different joints is studied. The design method of anti-progressive collapse of large span single-layer spatial grid structures is proposed based on the above research. Finally, the control indexes and structural measures of anti-collapse are put forward. The research results will further improve the theory of progressive collapse and provide technical basis for analysis and design of large span single-layer spatial grid structures. So this research has important scientific significance and application value.

针对当前大跨度空间钢结构连续倒塌研究上的不足，采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方法，开展大跨度单层空间网格结构抗连续性倒塌性能评估及设计方法研究：考虑构件移除、压杆屈曲和动力效应等因素对荷载作用下非线性结构的影响，给出大跨度单层空间网格结构重要构件的评估方法、判别准则和失效模型；考虑施工效应、材料应变率效应的影响以及不同失效时间引起的动力效应差异，引入构件的损伤断裂参数，结合重要构件失效模型，建立局部破坏下的抗连续性倒塌分析方法，并提出线性和非线性模型、静力和动力分析之间的选用准则及等效方法；构建大跨度单层空间网格结构的抗连续性倒塌快速评估方法，研究不同节点形式的鲁棒性，探明大跨度单层空间网格结构抗连续性倒塌的设计方法，并获得防止该类结构连续倒塌的控制指标和相关构造措施。研究成果将进一步完善连续倒塌理论，为大跨度单层空间网格结构分析和设计提供技术依据，具有重要的科学意义和应用价值。

尽管大跨度空间网格结构具有较高的超静定次数，但是某些关键杆件的失效仍然极易引起连续性倒塌。针对当前大跨度空间钢结构连续倒塌分析上的不足，本项目系统研究了大跨度单层空间网格结构的抗连续倒塌性能：基于构件的强度与稳定失效模式，提出重要构件的初选方法并确定其位置分布；对初选构件进行多重响应（应力、位移、承载力、自振频率、应变能等）分析，并对重要性系数进行标准化处理，定量评价各构件的综合重要性，继而得出了大跨度空间网格结构的重要构件评估方法，进一步建立多重响应的选取原则和重要构件的判别准则。考虑施工效应对结构初始状态的影响，对备用荷载路径法进行修正，构建用于大跨度空间网格结构抗连续倒塌分析的考虑施工效应的等效荷载卸载法，并将该方法应用于世界大学生运动会主体育场中；以两个单层空间网格结构的典型子结构拟静力试验结果作为校验，探讨了多尺度有限元模型在空间网格结构抗连续倒塌分析中的应用，提出基于位移一致原则的不同尺度单元之间连接关系建立方法。对单层空间网格结构模型进行连续倒塌试验，探讨不同网格形式、矢跨比、不均匀荷载、杆件失效顺序等因素的影响，实现对单层空间网格结构连续倒塌动力性能的整体描述。推导出考虑初始状态下子结构在线弹性、弹塑性阶段的动力放大原理，构建适用于单层空间网格结构的连续倒塌动力效应简化模拟方法，给出单层网壳结构荷载动力放大系数的建议取值范围。基于增量动力分析原理，考虑不同重要构件失效和荷载状态，提出基于增量动力分析的连续性倒塌评估法，从而建立抗连续倒塌的安全储备指标；在此基础上提出大跨度空间网格结构抗连续倒塌的设计方法：局部增设波纹管或双层杆件等，获得防止此类结构连续倒塌的控制指标。本课题可对大跨度空间网格结构抗连续性倒塌能力进行分析和评估，促进了连续性倒塌研究的发展，具有重要的科学意义和应用价值。