大跨空间结构中非结构构件抗震性能与设计方法研究

The large span spatial structures have been the emergency shelter since it performs well during and after earthquakes. Therefore nonstructural components should be the subject of a careful seismic design to improve their probability of survival during a strong earthquake to decrease the life and economic losses. The dynamic response of a large span spatial structure is different from other structure systems. Current seismic design of nonstructural components can not suitable for those in a large span spatial structure. In the project the primary- secondary system of a large span spatial structure and nonstructural components with link area is established. Considering the multi point linked primary-secondary system, the dynamic coupling effect is studied. In order to have the influence of primary structure nonlinearity on seismic response of nonstructural components, the influence factors of the nonstructural component location, nonlinearity, and damping ratio and the relative values of the building and component masses and natural frequencies are investigated. Simulating response spectrum of earthquake acceleration is acquired for seismic design of nonstructural components in the large span spatial structure. Finally, the different performance levels of nonstructural components are studied. The seismic fragility analysis of the nonstructural components in the large span spatial structure is carried out. The results will promote the development on seismic design of nonstructural components in the large span spatial structure.

大跨空间结构由于其主体结构抗震性能好，已成为震后群众的避难场所。在抗震设计中不仅要保证主体结构安全可靠，更要保证其内部设施和设备等不损坏和不中断工作，使震后人员和财产损失降至最低。由于大跨空间结构的动力特性与其他结构体系明显不同，因此现有的非结构构件抗震设计理论无法适用大跨空间结构中。本项目拟在建立具有连接区的大跨空间结构和非结构构件的主-附结构耦合体系分析模型，采用传递函数法研究考虑多点连接的大跨空间结构主-附结构耦合体系的动力响应。研究主体结构非线性情况、非结构构件空间位置等因素对非结构构件动力响应的影响，得出大跨空间结构中非结构构件的拟合加速度包络谱，以此来指导大跨度空间结构中非结构构件的抗震分析和设计。最后确定基于性能的大跨度空间结构中非结构构件的不同性能水准，开展非结构构件的地震易损性分析，对其进行抗震能力评估，以实现大跨空间结构非结构构件抗震设计的评估和决策应用。

大跨空间结构由于其主体结构抗震性能好，已成为震后群众的避难场所。因此，在抗震设计中要不断提高建筑结构的抗震性能与防灾变能力，不仅要保证建筑主体结构本身的安全可靠，更要保证其内部设施和设备等非结构构件不损坏、不中断工作，以使震后人员损伤和财产损失降至最低，使其起到应急避难场所的作用，以期不断提高建筑结构实现既有功能的效果和效率。由于大跨空间结构的动力特性与其他结构体系明显不同，因此本项目主要针对大跨空间结构及非结构构件的抗震性能进行深入分析。.1）采用考虑损伤累积效应的钢材本构模型及压杆失稳后的力学性能，对拱形立体桁架结构进行增量动力分析，确定出不同跨度拱形立体桁架结构的薄弱位置以及倒塌破坏极限位移，实现了拱形立体桁架结构的定量化防倒塌设计；基于变换荷载路径法，揭示了球面网壳的关键杆件、关键节点，提出抗连续性倒塌冗余度指标。.2）针对四边简支网架结构单点连接单自由度非结构构件的情况，利用传递函数法推导出非结构构件频域位移公式以及网架任一点频域位移公式，并进一步得到主附结构之间连接作用力的频域公式。其次研究主附结构频率比和质量比等参数对耦合结构频域位移响应和网架杆件内力的影响。.3）吊顶作为在大跨空间结构中非结构构件震害最为严重的形式之一。为了考虑大跨结构作为主体结构时对吊顶系统这一附属结构抗震性能的影响，设计了不同刚度的上部支承结构，来模拟大跨结构竖向振动的影响。同时，设计了采用吊杆中间加铰这一构造措施的吊顶系统，来研究不同构造措施对吊顶系统的抗震性能的影响。通过理论分析与数值分析，确定出吊顶系统位移响应与加速度响应的分布规律，得出了柔性上部结构的吊顶加速度放大系数建议值。