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大跨度单层椭球面网壳抗震性能试验研究:理论、方法与工程实践
一、引言
(一)研究背景与工程意义
在现代建筑领域,大跨度单层椭球面网壳凭借其独特的优势,广泛应用于各类大型公共建筑中。这类结构以其造型优美,能够塑造出极具视觉冲击力的建筑外观,为城市增添独特的地标性景观;空间利用率高,可提供开阔无柱的大空间,满足体育赛事、大型展会等多样化的使用需求,在体育场馆、会展中心、航站楼等大跨度建筑中备受青睐。以洛阳奥林匹克中心田径训练馆为例,其屋面采用异形大跨度曲拱铝合金单层网壳结构,整体呈椭球面造型,长轴96.5米,短轴70.9米,为运动员和观众创造了宽敞舒适的空间环境。
然而,大跨度单层椭球面网壳结构自身的轻质、柔性特点,使其在地震作用下的抗震性能面临诸多挑战。地震产生的复杂动力作用,容易引发结构的强烈振动,致使杆件内力显著增加,甚至可能导致结构的失稳破坏。因此,深入开展大跨度单层椭球面网壳的抗震性能试验研究,具有至关重要的工程意义。通过试验研究,能够准确揭示结构在地震作用下的实际工作性能和破坏机制,为结构设计提供可靠的依据,进而有效提升结构的安全性和可靠性。
(二)国内外研究现状与核心问题
国内外学者针对椭球面网壳的研究取得了一定成果,尤其在静力特性和稳定性研究方面较为成熟。在静力特性研究中,通过有限元分析和理论推导,对不同网格形式(如联方型、凯威特型网壳)的椭球面网壳在静荷载作用下的内力分布、变形规律进行了详细的参数分析。研究发现,短跨长度、矢跨比等参数对网壳的杆件内力和节点位移有着显著影响。在稳定性研究领域,通过特征值屈曲分析和几何非线性屈曲分析,探讨了不同参数对单层椭球面网壳屈曲模态及特征值的影响,明确了网壳的屈曲破坏模式和极限承载能力。
但在抗震性能研究方面,仍存在诸多不足。在地震作用下,大跨度单层椭球面网壳的动力响应规律尚未完全明晰,不同地震波特性、频谱组成对结构响应的影响机制有待深入研究。同时,网壳与下部支撑结构的协同工作机制研究也不够充分,下部支撑结构的刚度、阻尼特性如何影响网壳的地震反应,以及两者之间的相互作用规律,都需要进一步通过试验进行验证和分析。这些问题的存在,制约了大跨度单层椭球面网壳结构在抗震设计中的优化和应用,亟待开展深入的试验研究加以解决。
二、大跨度单层椭球面网壳结构特性分析
(一)几何参数与力学性能耦合关系
椭球面几何特征对刚度分布的影响
以洛阳奥林匹克中心田径训练馆这种长轴96.5m、短轴70.9m的典型椭球面网壳为例,其矢跨比为11.7m/70.9m,该矢跨比在一定程度上决定了结构的整体刚度和受力性能。椭球面的曲率分布在长轴和短轴方向存在明显差异,这种差异直接影响着结构的刚度分布。在短轴方向,由于曲率相对较大,杆件之间的相互约束作用更强,使得结构在该方向的刚度较大;而在长轴方向,曲率较小,杆件的约束相对较弱,导致结构的纵向刚度较弱。
在实际受力过程中,这种刚度分布特点使得结构的内力传递路径呈现出明显的方向性。当受到竖向荷载作用时,短轴方向的杆件能够更有效地将荷载传递到支座,而长轴方向的杆件内力相对较小,传递荷载的能力相对较弱。在水平荷载作用下,结构的刚度分布差异也会导致不同方向的变形和内力响应不同,进一步验证了其“纵向刚度弱、横向刚度强”的力学特性。这种力学特性对于结构的抗震性能具有重要影响,在地震作用下,结构的薄弱部位更容易出现在纵向,需要在设计中特别关注。
网格形式与节点连接的协同受力机制
联方型和凯威特型网壳是大跨度单层椭球面网壳中常见的两种网格形式,它们的杆件内力分布规律存在显著差异。联方型网壳的杆件布置较为均匀,在受力时,杆件之间的协同工作能力较强,能够将荷载较为均匀地分散到整个结构中,使得杆件内力分布相对均匀。而凯威特型网壳则具有明显的径向和环向杆件体系,在荷载作用下,径向杆件主要承担轴向力,环向杆件则起到约束和稳定结构的作用,这种受力分工导致杆件内力分布呈现出一定的规律性,在节点附近和边缘区域,杆件内力相对较大。
结合铝合金6061-T6材料的节点板式连接,如采用不锈钢铆钉节点,节点刚度对结构整体动力特性有着重要影响。节点刚度的大小直接影响着杆件之间的力传递效率和结构的变形协调能力。当节点刚度较大时,杆件之间的连接更加紧密,结构的整体性更强,在承受荷载时,能够更有效地将力传递到各个杆件,减小杆件的变形和内力集中。然而,过大的节点刚度也可能导致结构的柔韧性降低,在地震等动力荷载作用下,容易产生较大的应力集中,增加结构破坏的风险。相反,节点刚度较小时,结构的变形能力增强,但力传递效率降低,可能导致结构的整体稳定性下降。因此,在设计中需要合理控制节点刚度,以实现结构在静力和动力荷载作用下的最优性能,为试验模型设计提供科学的理论依据。
(二)材料特性与结
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