强震作用下拱形立体桁架结构倒塌破坏机理及设计方法研究

大跨度拱形立体桁架结构在火车站无站台柱雨棚中以及其他公共建筑得到广泛应用。大型公共建筑的局部或整体结构的倒塌事故时有发生，其造成的财产人员损失巨大。目前针对大跨度拱形立体桁架结构体系的研究只限于静力分析及地震作用的动力响应研究，而强震作用下该结构的倒塌破坏机理研究基本空白。本项目采用理论研究、数值分析和模型试验相结合的方法对大跨度拱形立体桁架的整体倒塌破坏机理进行深入研究，从强度与稳定性方面剖析强震作用下该结构体系的动力失效机理和失效模式，建立倒塌破坏准则，为大跨结构的抗震性能理论研究提供重要参考。主要结论有：1）三圆心桁架拱截面宽高比b/h和节间上弦杆轴线与腹杆轴线夹角θ对结构整体稳定系数K的影响很小，可以忽略；腹杆与上弦杆截面面积比A4/A1对结构整体稳定系数K的影响有限，不能通过增大腹杆截面尺寸来提高极限承载力；高跨比i、矢跨比n、中拱开角α是影响结构整体稳定系数K的主要因素。2）与弹塑性时程分析相比，能力谱法与MPA方法对于大跨度结构目标位移的预测具有一定精度，能够满足结构抗震设计的需要。考虑压杆屈曲，结构塑性铰增多，可能引起罕遇地震作用下结构的失效，使结构所能承受的地震作用明显降低。3）将IDA方法与能量原理相结合，提出通过数值模拟方法确定结构的倒塌破坏极限状态点的方法。并通过一具体工程算例进行单向（竖向、水平向以及侧向）地震波的IDA分析，得到该结构概率分位值为16%，50%和84%的所对应的倒塌破坏极限状态值。4）强震作用下，拱形立体桁架结构主要发生强度破坏。随着地震波加速度峰值(PGA)的增大，杆件损伤不断累积，刚度逐渐退化，最终失效退出工作。拱形立体桁架结构振动台试验结果表明，随地震波加速度峰值的增大，结构各向自振频率和等效刚度降低，结构阻尼比增大。地震波向模型顶部传播过程中，加速度和位移响应逐渐放大。结构破坏荷载在0.8g~1.0g之间，地震作用结束后，结构产生平面内反对称变形，刚度下降50%。5）采用变换荷载路径法（AP法）对大跨度球面网壳结构进行了连续倒塌分析。结果表明，单层球面网壳具有一定冗余度，在使用荷载作用下，当4个关键节点被移除时即发生连续倒塌破坏，因此保护结构的关键节点十分必要。双层球面网壳的冗余度是单层球面网壳的7~13倍，当10个关键杆件或4个关键节点被移除时发生连续倒塌破坏。