多振源耦合激励下铁路枢纽大跨度屋盖结构的动力性能及稳定性研究

本项目针对铁路枢纽工程车站建筑结构存在列车行驶、设备运行和人群行走的多振源激励及其耦合激励以及地震和风荷载作用的复杂振动问题，拟采取理论分析、数值模拟、模型试验与现场测试相结合的研究方法，系统开展多振源激励及其耦合激励以及地震和风荷载作用下铁路枢纽大跨度屋盖结构的动力性能及稳定性研究，以期建立铁路枢纽大跨度屋盖结构在多振源激励及其耦合激励以及地震和风荷载作用下的动力响应和稳定性分析方法，揭示铁路枢纽大跨度屋盖结构在多振源激励及其耦合激励以及地震和风荷载作用下的动力响应规律、动力损伤破坏机理以及动力失稳机理，为铁路枢纽车站建筑大跨度屋盖结构的安全设计提供可靠的理论依据和分析手段，因而具有重要的理论意义和工程价值。本项目的研究成果可直接指导铁路枢纽车站建筑大跨度屋盖结构的工程设计，并可为相关规范条文的补充和制订提供理论和试验依据。

本项目按计划完成了预定研究内容，取得了以下六方面的成果。（1）考虑行人间人行激励差异性和单人激励各相似周期差异性，提出了一种改进的随机人行激励模型；建立人—结构耦合动力方程，进行了随机人行激励下站房大跨度屋盖结构振动响应数值模拟及实测分析，结果表明改进的随机人行激励模型分析所得结构振动响应频域分布更宽，且激励中高频成分对结构振动有一定贡献，与实测结果更为吻合；考虑人—结构耦合作用将减小结构振动响应。（2）采用MATLAB编程得到考虑完整的轨道不平顺功率谱和轮对间轨道输入相关性的列车系统状态控制方程，求解出作用在各轮对的列车行驶随机激励时程；进行了列车行驶随机激励下站房大跨度屋盖结构振动响应数值模拟及实测分析，结果表明在所提出列车行驶随机激励模型作用下结构振动响应的时频域特性与实测结果吻合较好。（3）通过分析人群行走、列车行驶以及设备运行等各振源单独激励下站房大跨度屋盖结构振动响应的时频域特性和频带交叠情况，提出了一种考虑加权功率相干叠加的多振源激励下站房结构振动响应分析方法；进行多振源激励下站房大跨度屋盖结构振动响应数值模拟及实测分析，总结了相干叠加效应对结构振动总响应的影响规律。（4）以人群行走和列车行驶随机激励为例，分析研究了站房大跨度屋盖结构多振源激励组合问题。在考虑旅客到站概率分布模型、列车满载情况以及列车行驶速度等随机变化的基础上，根据组合激励幅值的概率特点，以极值I型描述组合激励幅值的概率分布，确定了具有95%保证率的激励组合系数；K-S检验表明极值I型概率分布估计与经验概率分布结果吻合良好。（5）建立了以损伤累积为杆件失效判别准则，以及通过修正杆件材料特性模拟强震作用下杆件失效的模拟方法；建立了考虑强震作用下失稳效应的杆件弹塑性计算模型；利用回归统计方法，建立了可模拟强震作用下反复加载—卸载与破坏过程的焊接空心球节点力学模型。（6）以结构承载力与地震作用不再平衡作为结构动态破坏的判定准则，以结构非线性动力平衡方程组不收敛的时刻作为结构破坏时刻，分析了不同形式单层网壳结构破坏时失稳杆件的数量与分布情况、塑性铰的数量与位置、节点的破坏形式，总结了不同形式单层网壳结构在强震作用下的动力破坏机理。