【摘 要】
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超过设计烈度的灾难地震是威胁城市安全的重要突发灾害。空间网架结构建筑兼具地震避难所功能,是未来“韧性城市”的重要组成部分。灾难地震中网架结构的支座如发生破坏将使其丧失地震避难所的功能,严重影响灾后的应急救援成效。为此,该类支座节点在灾难地震作用下的韧性研究将成为未来“韧性城市”建设中的重要课题。目前,现行规范中一般将网架支座节点假设为刚接、铰接或弹性边界,而未将其刚度衰减考虑到抗震设计中。灾难地震
【基金项目】
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国家自然科学基金项目《强震下螺栓球网格结构超低周疲劳性能与评定方法研究》(51578358);
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超过设计烈度的灾难地震是威胁城市安全的重要突发灾害。空间网架结构建筑兼具地震避难所功能,是未来“韧性城市”的重要组成部分。灾难地震中网架结构的支座如发生破坏将使其丧失地震避难所的功能,严重影响灾后的应急救援成效。为此,该类支座节点在灾难地震作用下的韧性研究将成为未来“韧性城市”建设中的重要课题。目前,现行规范中一般将网架支座节点假设为刚接、铰接或弹性边界,而未将其刚度衰减考虑到抗震设计中。灾难地震下,支座节点往往因经历大应变超低周往复作用而发生地震疲劳破坏,此时支座节点的刚度衰减对上部结构的动力响应会产生很大影响,其变化将直接影响结构整体的破坏性态。为较准确分析网架结构倒塌破坏过程,亟需系统研究支座约束刚度动态衰减对网架结构的影响,深入开展该类支座考虑超低周疲劳损伤影响的刚度退化模型研究,建立考虑支座刚度衰减的网架计算模型。本文基于国家自然科学基金项目《强震下螺栓球网格结构超低周疲劳性能与评定方法研究》(51578358),以平板支座节点为主要对象,采用试验研究与数值模拟相结合的方法,对考虑超低周疲劳损伤影响的平板支座计算模型展开研究。主要研究内容和结论如下:(1)通过6组18个平板支座节点在竖向一定荷载与水平循环往复大位移同时作用下的加载试验,获得竖向荷载和锚栓直径对其失效模式、滞回性能、骨架曲线、刚度退化、肋板屈曲、支座倾角和锚栓弯曲的影响,并结合锚栓断口形貌分析,揭示锚栓断裂演化规律和失效机理。基于能量耗散提出该类平板支座节点的损伤评估模型。试验结果表明,平板支座节点的破坏均经历滑移阶段—弹性阶段—强化阶段—失效阶段等4个阶段,其破坏形态主要为锚栓断裂和肋板中下部区域屈曲;锚栓裂纹均萌生于根部表面应力集中区域内,其断面具有超低周疲劳断裂的典型特征。(2)采用有限元ABAQUS/Explicit软件建立平板支座节点的有限元模型,模型考虑钢材延性损伤、几何非线性和初始缺陷等影响。通过试验结果对比分析模型的失效形态、滞回曲线及骨架曲线,并讨论主要受损部件(锚栓与肋板)的失效机理。分析结果表明:数值模拟结果与试验结果较为一致;锚栓超低周疲劳裂纹萌生主要是由于混合型损伤引起的;肋板自由边的局部屈曲为弹塑性屈曲,其一定程度上延缓了锚栓的断裂,推迟了平板支座的失效过程。(3)基于上述有限元模型,进行不同锚栓直径、肋板厚度、支座高度和竖向荷载下平板支座节点超低周疲劳性能的参数化分析,对其超低周疲劳承载力和损伤退化进行详细探讨;提出平板支座节点水平屈服承载力和峰值承载力的近似计算公式,拟合出适用于本模型中肋板的弹塑性屈曲荷载计算公式。参数分析结果表明,平板支座节点的水平屈服承载力及峰值承载力均由锚栓决定。锚栓直径与肋板厚度对支座节点的破坏形式具有重要影响,锚栓直径较小而肋板厚度较大时,因锚栓刚度有限导致锚栓过早发生断裂破坏;反之,肋板易发生弹塑性屈曲,使得平板支座节点的破坏模式表现为肋板屈曲后锚栓断裂。(4)基于上述试验和有限元分析结果,建立以能量耗散为损伤指标的水平刚度退化模型,对平板支座节点的力学性能退化规律进行描述;建立考虑滑移和超低周疲劳损伤影响的平板支座节点恢复力模型。结果表明,建立的恢复力模型能够较好的反映支座节点的超低周疲劳非线性力学行为。(5)基于平板支座节点的恢复力模型,建立考虑滑移和水平刚度衰减的平板支座节点等效简化计算模型。将该简化计算模型应用于SAP2000软件,对雅安地震中芦山县中学体育馆进行地震作用下的弹塑性动力时程分析。结果表明,平板支座节点的简化计算模型具有较好的适用性,考虑滑移和支座水平刚度衰减的芦山县中学体育馆网架模型在实际地震作用下的破坏形态与震害具有一致性,可为网架结构在灾难地震作用下的倒塌破坏分析提供参考。
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