不同支承条件下单层柱面网壳结构的动力特性及抗震性能研究

论文摘要

网壳结构具有刚度大、自重轻、造型丰富美观,受力合理,覆盖面大,技术经济指标好的特点,是一种颇受国内外关注且有广阔发展前景的大跨度形式空间结构。近几年国内学者在网壳结构静动力性能及抗震的研究领域取得了丰硕成果。但是,这些研究成果大多是将下部的支承体系与上部的网壳结构分开考虑,以简支或固支边界来模拟网壳结构的支承情况,进行独立的力学性能计算。事实上,大多数网壳结构支承在底部框架上,地震荷载通过地面运动传给下部支承结构,而后由支承结构传给上部网壳屋盖。若不考虑下部支承结构的影响而只研究空间结构的抗震性能,将会与实际情况产生较大的偏差。因此,对考虑下部支承体系共同作用的网壳结构在地震作用下的动力分析的研究有着重要意义。本文结合最近的参考文献,在前人的工作基础上,考虑较为常用的单层柱面网壳结构,运用非线性有限元理论和有限元分析程序ANSYS,把网壳屋盖和下部支承结构作为一个整体结构体系进行分析。首先建立模型,考虑三种支承条件：一种是前人常用的方法,将下部支承体系简化成固定铰支座；第二种是两纵端有人字形支承柱；第三种是一纵端固定山墙另一端人字形摇摆柱支承。考察这三种支承条件的网壳模型在三维地震作用下的动力性能,并进行参数影响分析,重点研究几何参数(矢跨比、长宽比、跨度)对结构动力性能的影响,再将三种结构进行对比分析,得出下部支承体系对网壳屋盖的动力性能的影响不容忽视,两纵端支承会减弱结构Y、Z方向刚度,使这两个方向的动力反应增大,并且使起拱方向的杆件最大轴力增大；网壳结构在动力荷载作用下受高阶振型影响比较明显。对三种支承条件的网壳结构进行动力失效分析,考察结构在地震荷载作用下的动力性能和破坏模式,通过对比发现固定铰支座结构的破坏模式属于强度破坏,而有支承柱网壳结构的破坏模式带有动力失稳的特征,属于动力失稳和强度破坏的结合,偏重于强度破坏。参考CR框架结构基于性能的抗震设计理论和抗震性能的评估方法,运用SAP2000分析软件对网壳结构进行静力弹塑性分析,对柱支承网壳结构进行简单、快捷的抗震性能评估。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 网壳结构计算理论与抗震分析方法的发展
• 1.2.1 网壳结构计算方法的发展
• 1.2.2 网壳结构抗震分析方法
• 1.3 网壳结构的研究现状
• 1.3.1 网壳结构地震响应及动力特性的研究现状
• 1.3.2 网壳结构稳定性的研究现状
• 1.3.3 网壳屋盖与下部支承结构的协同工作的研究现状
• 1.4 基于性能的抗震设计思想及其发展概况
• 1.4.1 国外的发展状况
• 1.4.2 国内的发展状况
• 1.5 分析程序和软件
• 1.6 本文主要研究内容
• 第二章 基本理论及模型建立
• 2.1 理论基础
• 2.1.1 结构动力方程
• 2.1.2 空间刚架位移法
• 2.2 模型建立
• 2.2.1 固定铰支座网壳结构模型的建立
• 2.2.2 两端均人字形柱支承网壳结构模型的建立
• 2.2.3 一端固定铰支另一端摇摆柱支承网壳结构模型的建立
• 2.3 网壳结构自振特性对比
• 2.3.1 固定铰支座结构模型的自振特性
• 2.3.2 有柱支承网壳结构自振特性
• 2.3.3 网壳结构自振特性分析和振型对比
• 2.4 初始缺陷的影响
• 2.4.1 初始缺陷的选取
• 2.4.2 生成有初始缺陷的网壳模型
• 第三章 柱面网壳的地震反应分析
• 3.1 地震波的选取与调整
• 3.2 参数影响分析
• 3.2.1 参数分析方案
• 3.2.2 矢跨比的影响
• 3.2.3 长宽比的影响
• 3.2.4 跨度的影响
• 3.3 地震作用分析
• 3.4 初始缺陷的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 柱面网壳结构动力失效分析
• 4.1 网壳结构动力失效模式与全过程动力响应分析方法
• 4.2 动力失效机理对比分析
• 4.2.1 固定铰支座网壳结构动力失效机理分析
• 4.2.2 有柱支承网壳结构动力失效机理分析
• 4.3 地震荷载的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 push-over在网壳结构抗震性能分析中的应用
• 5.1 基于性能的抗震设计理论
• 5.1.1 地震设防水准
• 5.1.2 结构抗震性能水准的划分
• 5.1.3 性能指标的建立
• 5.2 基于性能的抗震设计方法
• 5.2.1 按延性系数设计的方法
• 5.2.2 直接基于位移的方法
• 5.2.3 静力弹塑性分析方法（能力谱法）
• 5.3 push-over对网壳结构的抗震性能评估
• 5.3.1 结构模型
• 5.3.2 结构动力特性分析及push-over分析
• 5.3.3 需求谱的建立
• 5.3.4 性能点的确定及抗震性能评估
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢