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结构的连续性倒塌是指正常使用情况下,意外事件造成结构局部发生初始破坏,继而引起周围杆件的连锁破坏,最终形成与初始局部破坏不成比例的结构大范围倒塌或是整体倒塌。近年来,随着恐怖活动的日益猖獗,结构的连续性倒塌已成为全世界范围内的一个研究热点,并在框架结构领域中取得丰富的研究成果。
随着我国建筑水平的不断进步,很多大型场馆均采用索拱结构作为其屋盖体系。现阶段,索拱结构在正常使用状态下的研究方法已基本成熟,但在意外事件下结构抗倒塌性能的研究仍处于起步阶段。
本文在总结国内外有关连续性倒塌研究成果的基础上,采用变换荷载路径方法作为索拱结构屋盖体系的主要连续性倒塌分析方法,并提出了相应的分析设计流程。变换荷载路径方法中有两大重要内容,一是用来模拟结构初始局部破坏的移除构件的选择方法;二是计算分析过程中有关结构动力特性及材料非线性因素的模拟方法。
移除构件通常是结构的主要承重构件或是薄弱环节中的关键构件。本文以结构的鲁棒性、易损性和冗余度研究方法为基础,总结出了一种具有广泛适用性和工程实用性的简化的敏感性分析方法,并将其作为移除构件的选择方法。算例分析表明,该方法作为非框架结构的移除构件选择方法是可行的。
结构在连续性倒塌过程中的动力效应通常有两种分析方法,一是采用荷载的动力放大系数,在静力计算方法中将失效构件所属区域的荷载进行放大;二是通过初始状态法或荷载的时程分析曲线,在动力计算方法中模拟失效构件移除所产生的动力效应。本文针对索拱结构屋盖体系的力学特性,对上述两种分析方法进行了研究,提出了相应的改进方法。
由于索拱结构中屋盖平面的刚度与框架结构中楼板的刚度有本质区别,因此荷载的动力放大系数应根据结构的实际动力特性进行施加,不能完全依照框架结构的布置方案。本文将初始状态法同荷载的时程分析曲线相结合,提出了新的考虑结构初始状态的荷载时程分析曲线。该曲线可在一个计算过程中同时模拟构件失效前整体结构的初始状态和构件的后续突然失效过程。算例分析表明,该方法可以很好的考虑结构的初始状态及动力效应。
本文以新广州站工程为研究对象,对其进行了连续性倒塌分析。计算结果表明,该结构体系具有较好的抗倒塌性能,该工程所采用的新型空间内凹式索拱结构及巨型联系桁架是提高该结构体系抗连续性倒塌能力的有效措施。
文章最后结合新广州站工程的评估结果提出了一些提高索拱结构屋盖体系抗连续性倒塌能力的措施。