考虑下部支承体系的网壳结构动力响应及稳定性能研究

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农业水土工程建设理论与建筑物新型结构作为农业水土工程学科体系与范畴之一,主要研究有关农业水土工程新的设计理论、新型建筑物结构和新材料的应用,为农业水土工程事业发展提供更加可靠的硬件保证。大跨度空间结构作为新型建筑结构形式,不仅在土木工程中得到广泛应用,而且近年来逐渐广泛应用于水利工程和现代农业工程。  单层网壳结构是大跨度空间结构应用较为广泛的一种形式,具有建筑外形美观、受力性能良好等诸多优点。单层网壳结构的承载力通常由结构的稳定性控制,我国处于地震多发地带,研究单层网壳在地震作用下的动力稳定性,具有非常重要的意义。单层网壳结构作为屋盖通常与下部支承结构体系共同发挥作用,而以往的研究通常将两者单独进行研究分析,造成理论分析与实际工程相脱节,可能会使网壳结构存在安全问题。  本文以50m跨度K8型单层网壳为典型实例,同时考虑下部支承结构体系与上部网壳结构整体作用,研究地震作用下特别是强震作用和冲击荷载作用下网壳结构的动力响应,分析其动力稳定问题,同时进行了三向地震波下网壳结构振动台试验研究。  本文首先对钢柱支承的单层网壳结构在地震作用下动力稳定性进行了分析,同时从工程实际出发,研究了网壳结构与下部支承结构刚接与铰接两种不同连接方式下网壳的动力稳定性能,在分析过程中同时考虑结构几何非线性与材料非线性双非线性和初始几何缺陷,提出了衡量下部支承结构刚度的水平刚度系数公式,并研究了钢柱支承刚度、矢跨比对结构动力稳定性的影响。分析结果表明:下部支承放大了地震作用影响,使网壳结构的稳定承载力显著降低。当下部支承与上部网壳刚接时,动力稳定临界加速度下降了19%~35.7%,铰接时下降了7.3%~29%。  网壳结构作为缺陷敏感性结构,在加工安装过程中,杆件会出现弯曲初始缺陷现象。针对钢柱支承的网壳结构,研究了杆件缺陷和单杆失稳对网壳结构动力稳定性的影响。提出了网壳杆件动力失稳的判断准则。研究结果表明,当考虑杆件的初弯曲缺陷时,网壳杆件失稳可能会先于网壳结构整体失稳,使网壳结构稳定承载力显著降低。  当下部支承结构与圈梁全部为混凝土材料时,提出了修正的两种不同材料组合水平刚度系数计算公式。在分析过程中同时考虑结构双非线性和初始几何缺陷,研究了网壳矢跨比、混凝土柱刚度对单层网壳地震作用下动力稳定性能的影响。结果表明在网壳达到动力临界加速度时,部分混凝土柱的最大应力已达到混凝土的设计抗压强度,使下部支承的刚度明显降低,导致混凝土柱支承的网壳稳定承载力大幅下降,其幅度达到38.1%~54.8%。  冲击荷载一般作用于下部支承结构体系,而很少直接作用在上部网壳结构。本文研究了下部支承结构在冲击荷载作用下,上部网壳结构乃至整体结构的动力性能。研究结果表明考虑下部支承的网壳结构在冲击荷载作用下工作性能较好。  进行了六角星形穹顶网壳与K6型单层网壳试验模型地震振动台试验研究。制作了有钢柱支承和无钢柱支承的网壳试验模型,输入三向EI地震波进行振动台试验,并对试验模型进行了动力响应数值分析。分析结果表明理论分析结果与试验结果符合较好。
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