网壳结构抗震研究现状
20世纪中期以来,欧美等国家的研究人员对网壳结构进行了多方面的理论研究和实验研究,并运用于实践,自此作为一种新型的空间结构体系的网壳结构开始出现在工程中。由于这种体系在强度,刚度和经济性等方面具有优越性,因而倍受建设者和设计者喜爱,得到了快速的发展。20世纪末期到21世纪初,网壳结构在我国的发展较为迅速,不仅运用于歌剧院、候车厅、体育馆等大跨度公共建筑中,而且在商场、工业厂房等需要大空间的建筑中也越来越常见。但对于网壳结构抗震规律的认识不够深刻,目前还处于初级阶段,特别是对于多层与高层建筑的抗震认识程度更为不足。
目前,国 外对网 壳结 构抗震性 能 研究 主 要有以下 几个方 面 。 澳大利 亚学者L.C.Schmidt通过编制程序,对大跨度空间结构进行动力分析,并且考虑了阻尼的作用。美国学者Malla研究了结构的单元在连续破坏的情况下的动力性能日本Kato等学
者,对网壳结构进行了弹塑性动力分析,通过将地震波按水平方向和垂直方向的输入,对网壳结构进行了动力分析。日本学者Yamada提出在考虑初始应力的条件下,壳体结构自振频率的一种算法并且对柱壳进行了分析。
我国参照多层及高层建筑的分析方法对网壳结构进行抗震研究,其方法有振型分解反应谱法、静力弹塑性分析方法、时程分析法以及虚拟激励法。
振型分解反应谱法是假定建筑结构是线弹性的多自由度体系,利用振型分解和振型正交性的原理,将求解n个自由度弹性体系的地震反应分解为求解n个独立的等效单自由度弹性体系的最大地震反应,进而求得对应于每一个振型的作用效应(弯矩、剪力、轴向力),再按一定的法则将每个振型的作用效应组合成总的地震作用效应进行截面抗震验算。采用振型分解反应谱法研究网壳结构抗震规律要注意的是结构自振频率密集,振型复杂以及难以运用振型分解反应谱法考虑材料非线性对结构的影响。曹资、张毅刚运用振型分解反应谱法,考虑不同荷载、矢跨比、跨度和支座刚度等因素的影响,对单层球面网壳在地震作用下的反应进行了比较全面的研究,给出了其随各参数变化的规律,得出了在单层球面网壳抗震设计中起控制作用的是水平地震作用而不是竖向地震作用的结论。
郭小农、陈扬骥采用振型分解反应谱法对短程线型单层球面网壳在不同场地条件和地震设防烈度下的地震反应进行了分析,得出竖向和水平地震内力系数的分布规律,并且给出了地震内力系数的取值。史铁花结合国内外采用的确定振型数的方法,即国内采用的规范规方法和国外采用的有效质量法,总结了结构振动系统特征问题的求解方法,通过了一系列理论研究和实例分析,提出了振型分解法中振型数的确定方法—特征参数法。
尹越等人结合北京2008奥运会老山自行车馆屋盖网壳结构的抗震设计,得出采用振型分解反应谱法对大跨空间结构进行抗震设计时,可通过控制振型参与质量之和占结构总质量的百分比来确定参与组合的合理振型数;当参与组合的振型参与质量达到总质量的90%时通常可以保证所得地震反应的精度。任彰芳通过振型分解反应谱法对网壳结构进行地震分析,总结出振型可以分为水平振型和竖向振型,并且得出大部分振型都相近。但随着网壳高度的降低,网壳的振动特性应接近于平板网架,其振型应以竖向振型为主。
静力弹塑性分析(PUSH-OVER ANALYSIS)方法也称为推覆法,该方法基于美国的FEMA-273抗震评估方法和ATC-40报告,是一种介于弹性分析和动力弹塑性分析之间的方法,其理论核心是“目标位移法”和“承载力谱法”。采用静力弹塑性分析方法研究网壳结构抗震性能存在的问题是其加载的极限状态难以确定,以及不考虑竖向地震作用仅施加水平方向的单调递增荷载来进行抗震分析,与客观实际不符。李静斌和葛素娟利用SAP2000有限元软件,采用静力弹塑性分析方法对弦支穹顶屋盖钢结构进行了弹塑性极限承载力分析,计算出结构的非线性荷载—位移曲线,通过分析又得出此结构的极限承载安全系数为2.33的有益结论。张峥对杂交张拉结构体系进行全面深入的静力弹塑性分析,得到关于该体系在静力特性、稳定性能以及结构安全度等方面的有益结论。
罗永峰和杨木旺采用静力弹塑性分析方法对大跨度刚性空间结构进行地震反应分析,建立了此类结构弹塑性能力谱和地震非弹性需求谱,并提出了两种竖向加载模式;最后再进行数值计算,验证了静力弹塑性分析方法的精确度和有效性,同时也给出了该方法的适用范
围。
时程分析法是由结构基本运动方程输入地震速度记录进行积分,求得整个时间历程内结构地震作用效应的一种结构动力计算方法。采用时程分析法研究网壳抗震规律时要注意选波原则和迭代的策略等,这些因素对研究结果的准确性有很大的影响。陈军明、陈应波、吴代华运用时程分析法中的直接积分法对K8型单层球面网壳结构在地震作用下的地震响应进行分析,得出应该考虑水平地震作用响应,且应用时程法进行抗震分析。
沈世钊采用弹塑性时程法对网壳结构的抗震性能进行分析,得出计算结果,对结构的抗震规律有了进一步的认识。王星、董石麟对板锥网壳结构进行罕遇地震作用的时程分析,得出通过时程分析的结果与实际地震响应更为接近。
李永梅,郑志英,张毅刚采用三维地震反应的时程分析法对索承网壳结构进行分析,得出抗震设计中的主要控制参数是撑杆长度和矢跨。孙建梅、张其林采用反应谱法和时程分析法对比分析,得出对于大跨空间网壳结构,存在一些“反应谱法计算安全而时程分析计算危险”的杆件,在设计中应加以重视。
虚拟激励法是由大连理工大学林家浩提出的用于分析结构系统随机振动的新方法,是具有理论研究与工程应用前景的创新性成果,在土木、海洋工程等工程领域得到应用和重视。虚拟激励法可高效解决大规模工程结构的抗震方面的问题。但其随机荷载的确定方法 以及随机响应分析结果的应用,还需进一步做专门的研究。孙建梅、叶继红、程文采用虚拟激励法对大跨度空间网格结构的随机地震响应进行分析,从加速度功率谱和结构节点位移响应方差两个方面考察了一致输入与非一致输入下结构响应的差异,并通过分析,验证了虚拟激励法适合用于网架、网壳等复杂结构的随机地震响应分析。陈贤川、赵阳、董石麟通过分析虚拟激励法理论,推导了有关空间网格结构的抖振响应计算公式,并且利用Matlab编制程序进行分析,验证了本文研究方法的正确性。
孙建梅、叶继红、程文瀼采用虚拟激励法对网架、网壳等大跨度空间结构进行随机地震响应分析, 总结出了考虑空间相干性的多点输入法与一致输入法之间结构响应的差异和变化规律,并研究了不同结构形式中拟静力项的影响,得出一些有益结论。张婷、陈清军、杨永胜对两种改进的虚拟激励法做了简要的比较,再通过ANSYS程序,实现了大质量法和直接位移求解法的有限元计算,对这两种改进虚拟激励法的数值精度进行了比较。
目前,国 外对网 壳结 构抗震性 能 研究 主 要有以下 几个方 面 。 澳大利 亚学者L.C.Schmidt通过编制程序,对大跨度空间结构进行动力分析,并且考虑了阻尼的作用。美国学者Malla研究了结构的单元在连续破坏的情况下的动力性能日本Kato等学
者,对网壳结构进行了弹塑性动力分析,通过将地震波按水平方向和垂直方向的输入,对网壳结构进行了动力分析。日本学者Yamada提出在考虑初始应力的条件下,壳体结构自振频率的一种算法并且对柱壳进行了分析。
我国参照多层及高层建筑的分析方法对网壳结构进行抗震研究,其方法有振型分解反应谱法、静力弹塑性分析方法、时程分析法以及虚拟激励法。
振型分解反应谱法是假定建筑结构是线弹性的多自由度体系,利用振型分解和振型正交性的原理,将求解n个自由度弹性体系的地震反应分解为求解n个独立的等效单自由度弹性体系的最大地震反应,进而求得对应于每一个振型的作用效应(弯矩、剪力、轴向力),再按一定的法则将每个振型的作用效应组合成总的地震作用效应进行截面抗震验算。采用振型分解反应谱法研究网壳结构抗震规律要注意的是结构自振频率密集,振型复杂以及难以运用振型分解反应谱法考虑材料非线性对结构的影响。曹资、张毅刚运用振型分解反应谱法,考虑不同荷载、矢跨比、跨度和支座刚度等因素的影响,对单层球面网壳在地震作用下的反应进行了比较全面的研究,给出了其随各参数变化的规律,得出了在单层球面网壳抗震设计中起控制作用的是水平地震作用而不是竖向地震作用的结论。
郭小农、陈扬骥采用振型分解反应谱法对短程线型单层球面网壳在不同场地条件和地震设防烈度下的地震反应进行了分析,得出竖向和水平地震内力系数的分布规律,并且给出了地震内力系数的取值。史铁花结合国内外采用的确定振型数的方法,即国内采用的规范规方法和国外采用的有效质量法,总结了结构振动系统特征问题的求解方法,通过了一系列理论研究和实例分析,提出了振型分解法中振型数的确定方法—特征参数法。
尹越等人结合北京2008奥运会老山自行车馆屋盖网壳结构的抗震设计,得出采用振型分解反应谱法对大跨空间结构进行抗震设计时,可通过控制振型参与质量之和占结构总质量的百分比来确定参与组合的合理振型数;当参与组合的振型参与质量达到总质量的90%时通常可以保证所得地震反应的精度。任彰芳通过振型分解反应谱法对网壳结构进行地震分析,总结出振型可以分为水平振型和竖向振型,并且得出大部分振型都相近。但随着网壳高度的降低,网壳的振动特性应接近于平板网架,其振型应以竖向振型为主。
静力弹塑性分析(PUSH-OVER ANALYSIS)方法也称为推覆法,该方法基于美国的FEMA-273抗震评估方法和ATC-40报告,是一种介于弹性分析和动力弹塑性分析之间的方法,其理论核心是“目标位移法”和“承载力谱法”。采用静力弹塑性分析方法研究网壳结构抗震性能存在的问题是其加载的极限状态难以确定,以及不考虑竖向地震作用仅施加水平方向的单调递增荷载来进行抗震分析,与客观实际不符。李静斌和葛素娟利用SAP2000有限元软件,采用静力弹塑性分析方法对弦支穹顶屋盖钢结构进行了弹塑性极限承载力分析,计算出结构的非线性荷载—位移曲线,通过分析又得出此结构的极限承载安全系数为2.33的有益结论。张峥对杂交张拉结构体系进行全面深入的静力弹塑性分析,得到关于该体系在静力特性、稳定性能以及结构安全度等方面的有益结论。
罗永峰和杨木旺采用静力弹塑性分析方法对大跨度刚性空间结构进行地震反应分析,建立了此类结构弹塑性能力谱和地震非弹性需求谱,并提出了两种竖向加载模式;最后再进行数值计算,验证了静力弹塑性分析方法的精确度和有效性,同时也给出了该方法的适用范
围。
时程分析法是由结构基本运动方程输入地震速度记录进行积分,求得整个时间历程内结构地震作用效应的一种结构动力计算方法。采用时程分析法研究网壳抗震规律时要注意选波原则和迭代的策略等,这些因素对研究结果的准确性有很大的影响。陈军明、陈应波、吴代华运用时程分析法中的直接积分法对K8型单层球面网壳结构在地震作用下的地震响应进行分析,得出应该考虑水平地震作用响应,且应用时程法进行抗震分析。
沈世钊采用弹塑性时程法对网壳结构的抗震性能进行分析,得出计算结果,对结构的抗震规律有了进一步的认识。王星、董石麟对板锥网壳结构进行罕遇地震作用的时程分析,得出通过时程分析的结果与实际地震响应更为接近。
李永梅,郑志英,张毅刚采用三维地震反应的时程分析法对索承网壳结构进行分析,得出抗震设计中的主要控制参数是撑杆长度和矢跨。孙建梅、张其林采用反应谱法和时程分析法对比分析,得出对于大跨空间网壳结构,存在一些“反应谱法计算安全而时程分析计算危险”的杆件,在设计中应加以重视。
虚拟激励法是由大连理工大学林家浩提出的用于分析结构系统随机振动的新方法,是具有理论研究与工程应用前景的创新性成果,在土木、海洋工程等工程领域得到应用和重视。虚拟激励法可高效解决大规模工程结构的抗震方面的问题。但其随机荷载的确定方法 以及随机响应分析结果的应用,还需进一步做专门的研究。孙建梅、叶继红、程文采用虚拟激励法对大跨度空间网格结构的随机地震响应进行分析,从加速度功率谱和结构节点位移响应方差两个方面考察了一致输入与非一致输入下结构响应的差异,并通过分析,验证了虚拟激励法适合用于网架、网壳等复杂结构的随机地震响应分析。陈贤川、赵阳、董石麟通过分析虚拟激励法理论,推导了有关空间网格结构的抖振响应计算公式,并且利用Matlab编制程序进行分析,验证了本文研究方法的正确性。
孙建梅、叶继红、程文瀼采用虚拟激励法对网架、网壳等大跨度空间结构进行随机地震响应分析, 总结出了考虑空间相干性的多点输入法与一致输入法之间结构响应的差异和变化规律,并研究了不同结构形式中拟静力项的影响,得出一些有益结论。张婷、陈清军、杨永胜对两种改进的虚拟激励法做了简要的比较,再通过ANSYS程序,实现了大质量法和直接位移求解法的有限元计算,对这两种改进虚拟激励法的数值精度进行了比较。
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