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大跨度刚性空间结构竖向地震作用下静力弹塑性分析方法及应用研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代建筑领域,大跨度刚性空间结构凭借其卓越的性能和独特的优势,广泛应用于体育场馆、展览馆、机场航站楼等大型公共建筑中。这类结构能够跨越较大的空间,提供开阔、无柱的内部空间,满足了现代建筑对大空间的需求。例如,北京鸟巢作为2008年北京奥运会的主体育场,采用了复杂的大跨度空间钢结构,其独特的造型和超大的空间跨度,不仅成为了北京的标志性建筑,也展示了大跨度刚性空间结构在大型体育场馆建设中的成功应用。

然而,大跨度刚性空间结构由于其跨度大、结构形式复杂等特点,在地震作用下的响应更为复杂,抗震性能面临着严峻的挑战。竖向地震作用作为地震作用的重要组成部分,对大跨度刚性空间结构的影响不容忽视。在一些强震中,如1995年日本阪神地震和2008年中国汶川地震,许多大跨度结构在竖向地震作用下遭受了严重的破坏,甚至倒塌,造成了巨大的人员伤亡和财产损失。竖向地震作用会使结构产生轴向力、弯矩和剪力的变化,与水平地震作用相互耦合,进一步加剧结构的破坏。因此,深入研究竖向地震作用对大跨度刚性空间结构的影响,对于提高此类结构的抗震性能具有重要的现实意义。

静力弹塑性分析方法作为一种有效的结构抗震分析手段,能够在一定程度上考虑结构的非线性行为,为大跨度刚性空间结构的抗震设计和评估提供了重要的依据。通过静力弹塑性分析,可以了解结构在地震作用下的薄弱部位和破坏机制,为结构的优化设计提供参考。与传统的弹性分析方法相比,静力弹塑性分析能够更真实地反映结构在地震作用下的实际响应,有助于提高结构的抗震安全性。此外,静力弹塑性分析方法还具有计算相对简单、成本较低等优点,在工程实践中得到了广泛的应用。因此,开展大跨度刚性空间结构竖向地震的静力弹塑性分析研究,对于推动此类结构的抗震设计理论和方法的发展,具有重要的理论意义。

1.2国内外研究现状

国外对大跨度刚性空间结构竖向地震及静力弹塑性分析的研究起步较早,取得了一系列重要成果。在竖向地震作用方面,学者们通过对大量地震记录的分析,研究了竖向地震动的特性,如竖向地震加速度的分布规律、竖向地震反应谱的特征等。在静力弹塑性分析方法方面,美国的FEMA273和ATC-40等文件对多、高层建筑结构的静力弹塑性分析方法进行了系统的阐述,为大跨度刚性空间结构的竖向静力弹塑性分析提供了重要的参考。一些学者还针对大跨度刚性空间结构的特点,提出了改进的静力弹塑性分析方法,如考虑高阶模态影响的多模态加载模式等。

国内的相关研究近年来也取得了显著进展。许多学者对大跨度刚性空间结构的动力特性和地震响应进行了深入研究,通过理论分析、数值模拟和试验研究等手段,探讨了竖向地震作用下结构的受力性能和破坏机制。在静力弹塑性分析方法的应用方面,国内学者结合工程实际,对大跨度刚性空间结构的竖向静力弹塑性分析进行了大量的研究,提出了一些适合我国国情的分析方法和计算模型。如参照高层结构的静力弹塑性分析方法提出了一种新的大跨刚性空间结构竖向静力弹塑性计算方法即Push-down方法,并对该方法的基本原理进行了详细论述和推导。

尽管国内外在大跨度刚性空间结构竖向地震及静力弹塑性分析方面取得了一定的成果,但仍存在一些不足之处。例如,目前的研究对于竖向地震作用下结构的复杂非线性行为的考虑还不够完善,一些分析方法的准确性和可靠性还有待进一步验证。不同的分析方法和计算模型之间存在一定的差异,缺乏统一的标准和规范,给工程应用带来了一定的困难。此外,对于一些新型的大跨度刚性空间结构形式,如索膜结构、混合结构等,其竖向地震响应和静力弹塑性分析的研究还相对较少,需要进一步加强。

1.3研究内容与方法

本文主要针对大跨度刚性空间结构竖向地震的静力弹塑性分析展开研究,具体内容包括:

大跨度刚性空间结构的动力特性分析:运用有限元软件建立大跨度刚性空间结构的模型,通过模态分析等方法,研究结构的自振频率、振型等动力特性,为后续的静力弹塑性分析提供基础。

竖向地震作用的模拟与分析:根据相关规范和研究成果,确定竖向地震作用的计算方法,采用合适的地震波对竖向地震作用进行模拟,分析结构在竖向地震作用下的内力和变形分布规律。

静力弹塑性分析方法的应用与改进:介绍静力弹塑性分析方法的基本原理和实施步骤,针对大跨度刚性空间结构的特点,对传统的静力弹塑性分析方法进行改进,提出适合大跨度刚性空间结构竖向地震分析的加载模式和计算方法。

结构抗震性能评估:通过静力弹塑性分析结果,结合相关的抗震性能指标,对大跨度刚性空间结构在竖向地震作用下的抗震性能进行评估,判断结构是否满足抗震设计要求,找出结构的薄弱部位和潜在的破坏模式。

算例分析:选取典型的大跨度刚性空间结构工程实例,运用本文提出的

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