基于整体刚度折减系数的网壳结构抗震性能参数-罗永峰.pdf

《基于整体刚度折减系数的网壳结构抗震性能参数-罗永峰.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于整体刚度折减系数的网壳结构抗震性能参数-罗永峰.pdf（6页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第47卷第3期2017年5月东南大学学报(自然科学版)JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY(Natural Science Edition)V0147 No3Mav 2017DOI：103969jissn10010505201703021基于整体刚度折减系数的网壳结构抗震性能参数罗永峰 毋凯冬 相 阳(同济大学土木工程学院，上海200092)摘要：为研究针对网壳结构抗震性能的参数指标及设计限值，实现网壳结构抗震性能的快速评估与校核，采用基于结构整体刚度参数的模态推覆分析法，将网壳结构简化为相应的等效单自由度体系，分析网壳结构地震反应基于此结构整体刚度参数及等效单自由度

2、体系，提出新的抗震性能参数整体刚度折减系数，并验证其准确性将整体刚度折减系数值010，075和100作为矢跨比大于等于14的K6型网壳结构轻微破坏、中等破坏、严重破坏和倒塌的界限值，并将整体刚度折减系数值010和080分别作为结构线弹性、弹塑性变形验算的设计限值数值算例分析结果表明，整体刚度折减系数具有较好的适用性，可用于网壳结构抗震性能的快速评估与校核以及结构设计优化关键词：网壳结构；整体刚度折减系数；抗震性能参数；设计优化中图分类号：TU97331 文献标志码：A 文章编号：10010505(2017)03-0539-06Seismic performance parameter of l

3、atticed shell basedon overall sti腼ess reduction factorLuo Yongfeng Wu Kaidong Xiang Yang(College of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China)Abstract：To study the seismic performance parameters。lndex and limit values for the latticed shellsto realize fast evaluation and check of the

4、 seismic performance，the latticed shell is simplified to theequivalent single degree of freedom(ESDOF)system by using the modal pushover analysis methodbased on the overall structural stiffness parameters，and the seismic responses of this structure is alsoanalyzedBased on the overall structural stif

5、fness parameters and the ESDOF system，a new seismicperformance parameter，overall stiffness reduction factor(OSRF)，is introduced，and its accuracy isprovedThe OSRFs of 010，075，100 are set as the boundary values for slight damage，moderatedamage，severe damage and collapse of K6 lattice shells with the r

6、atio of rise tO span of 14 or grea-terrespectivelyThe OSRFs of 010 and 080 are set as the design limit values at the linear-elasticand elasticplastic stages，respectivelyThe analysis results of the numerical examples show that theORSF has good applicability and Can be used for fast evaluation and che

7、ck for the seismic perform-ance of latticed shells as well as structural design and optimizationKey words：latticed shell；overall stiffness reduction factor；seismic performance parameter；designand optimization随着社会经济的发展，基于陛能的抗震设计方法应运而生1|Ganzerli等21运用基于结构性能的方法进行设计优化我国抗震规范已建立起较为完善的多高层结构抗震性能设计理论和方法，而对于大跨

8、度空间结构，基于陛能的抗震设计研究长期滞后于工程应用张毅刚等3 3指出，确定空间结构的收稿日期：2016-09-06 作者简介：罗永峰(1957一)，男，博士，教授，博士生导师，yflu093tongjieducn基金项目：国家自然科学基金资助项目(51378379)引用本文：罗永峰，毋凯冬，相阳基于整体刚度折减系数的网壳结构抗震性能参数J东南大学学报(自然科学版)，2017，47(3)：539544DOI：103969jissn10010505201703021万方数据540 东南大学学报(自然科学版) 第47卷反应参数及设计指标是当前大跨度结构抗震的关键问题罗永峰等H1认为，当前基于时程分

9、析法的大跨度结构抗震性能分析与设计方法费时费力，亟待研究新的快速评估与设计方法因此，空间结构的抗震性能指标及设计方法是研究空间结构抗震性能设计的关键问题沈世钊等”1将强震下网壳的破坏原因总结为动力失稳及塑性变形过度发展作用的结果支旭东等。钊基于2种破坏模式的基本理论，定义结构损伤因子聂桂波等1利用结构损伤因子量化结构的性能水准，得到不同地震荷载作用下的易损性曲线杨木旺L8 o初步建立了大跨度刚性空间结构竖向地震的推覆分析方法Ohsaki归J基于所有节点的位移和回复力确定结构能力谱相阳等10。11 3将空间结构简化为单自由度体系模型(equivalent single degree of fre

10、edom，ESDOF)，并提出了基于整体刚度参数的空间结构模态推覆分析法目前，大跨度空间结构基于陛能的抗震设计方法主要存在以下问题：缺乏专门针对大跨度空间结构抗震性能设计的简化参数与指标；尚未依据参数指标将性能水准进行划分、量化并给出设计限值；传统静力弹塑性分析方法难以应用于空间结构抗震性能快速评估；缺乏抗震性能的快速评定与设计方法鉴于此，本文结合基于结构整体刚度参数的模态推覆分析法及ESDOF体系，提出新的抗震性能参数整体刚度折减系数(overall stiffness reduction factor，OSRF)，并将其作为网壳结构抗震性能设计参数依据新参数，对K6型网壳结构的抗震性能水准

11、划分进行了量化分析，提出该参数的设计限值，并初步建立了网壳结构抗震性能快速评定与优化设计方法1整体刚度折减系数11基于结构整体刚度参数的ESDOF体系文献1011提出了基于结构整体刚度参数的模态推覆分析法本文采用基于结构整体刚度参数的一阶模态推覆分析法，简化得到网壳结构的ESDOF体系，并据此分析结构地震反应，研究网壳结构抗震性能设计指标及方法分析流程如下：进行结构模态分析，选取振型参与系数最高阶的模态；依据选取模态，进行推覆分析；通过推覆分析，将网壳结构转化为相应的ESDOF体系，并求得结构整体刚度参数一等效位移曲线和等效荷载一等效位移曲线http：journalSelleducn12参数定

12、义本文基于结构整体刚度参数的概念，提出描述结构整体刚度变化的新参数整体刚度折减系数，其计算公式为 叩=警式中，K叩，蜒。分别为初始时刻和当前时刻的结构整体刚度参数反映了网壳结构在地震作用下，由于杆件塑性发展和杆件失稳，结构整体刚度的折减程度及抵抗荷载能力的削弱程度叼=0表示结构完好；叼=10表示结构完全失去抵抗荷载的能力；卵=010表示结构整体刚度发生不同程度的折减OSRF体系计算简单快捷，适用于钢网壳结构的抗震性能快速评估13基于OSRF的抗震性能校核基于11和12节中的理论方法，提出网壳结构抗震性能校核的基本计算步骤如下：根据动力时程分析得到ESDOF体系的最大位移d二。；结合等效荷载一等

13、效位移曲线，求得与d二。对应的推覆荷载因子疋二。，并由静力分析计算得到相应的结构整体刚度参数；计算叼值，校核结构是否满足相应性能水准要求，并与指标限值对比，评定结构抗震性能14算例分析本文采用ANSYS软件对5个网壳算例进行计算，采用基于结构整体刚度参数的一阶模态推覆分析法，验证本文提出的OSRF在网壳结构抗震性能设计中的适用性选取的K6型网壳结构算例尺寸如表1所示表1 K6型网壳结构算例尺寸篁型缦呈 ! ! ! 兰 !矢跨比 13 13 13 12 14跨度m 60 72 78 60 60为说明OSRF在网壳结构抗震性能设计中的适用性，本文主要研究了各构件的截面塑性角栅点个数等地震反应参数采

14、用ANSYS软件中的Beaml88单元模拟网壳圆钢管构件，将圆钢管截面划分为8个栅格(图1中标号)，每个栅格包含9个栅点，其中4个为角栅点(如图1中栅格的标号1，3，10，12)，选取的构件截面角栅点共计16个用1P，2P，3P等表示杆件的塑性发展程度，其中，1P表示杆件截面上16个角栅点中至少有1个角栅点进入塑性，其余符号以此类推万方数据第3期 罗永峰，等：基于整体刚度折减系数的网壳结构抗震性能参数 54127图1塑性截面示意图141 结构整体刚度参数及塑性杆件比例算例1中杆件均为6121 toni6 Illlll圆钢管，钢材为Q235钢，支座节点为固定铰选取振型参与系数最大的模态进行推覆，

15、得到网壳结构对应ESDOF体系的结构整体刚度参数K。一等效位移曲线选取该曲线上的15个计算点(见图2(a)，分别计算各计算点对应的杆件塑性角栅点个数，统计分析后得到不同塑性发展程度杆件比例一等效位移曲线(见图2(b)O0嚣0差。鞋OO等效位移mm(a)选取计算点示意图等效位移mm(b)塑性杆件比例等效位移曲线图2各计算点塑性杆件比例142 OSRF准确度根据OSRF的定义，在结构即将倒塌的极限状态，叼应趋于105个算例极限状态下的叼见表2表2极限状态下的r算例编号 1 2 3 4 5竹0981 0981 0979 0982 0961由表2可知，在即将倒塌的极限状态，叼接近于10，且计算误差在5

16、以内，符合叼的初始定义计算结果表明，OSRF可以较为精确地反映结构在即将倒塌时刻完全丧失结构刚度和抵抗荷载的能力状态分别选取各算例的振型参与系数最大的模态进行推覆分析，得到对应ESDOF体系的结构整体刚度参数等效位移曲线依照ESDOF体系等效位移依次增大的原则选取该曲线上的多个计算点，求得各计算点处对应的田，计算结果见图3骊垛妪魁丕蝰测O 90 180 270 360 450等效位移mm图3 结构整体刚度折减系数一等效位移曲线由图3可知，5个K6型网壳结构算例的叼计算值均随着等效位移的增大而增大，表明随着Es-DOF体系等效位移的增大，结构塑性发展逐步深入，整体刚度折减逐步增大，结构抵抗荷载能

17、力的逐步削弱因此，叼可以较好地描述结构在地震作用下的整体刚度折减和损伤积累程度本文中关于OSRF的计算结果与现有的结构损伤因子等参数的研究结果较为一致由图3可知，结构的OSRF值较好地反映了结构的稳定承载力和塑性变形承载力当OSRF值较大时，稳定承载力高，塑性变形承载力低；当OSRF值较小时，稳定承载力低，塑性变形承载力高，与K6型网壳的抗震性能研究与工程经验较为一致，因此计算结果正确性较好综上可知，本文提出的OSRF参数与已有的结构地震反应参数相比变化趋势较为一致，可反映结构的塑性发展情况以及结构整体刚度的折减程度在倒塌极限状态，计算值趋于10，精度符合设计要求OSRF概念清晰，计算简单快捷

18、，可基于结构整体刚度参数直接由ESDOF体系计算求得，更适于网壳结构的抗震性能评估，可作为网壳结构的抗震性能参数，并可用于抗震性能水准量化、结构设计及优化http：joumalseueducn2O8642O1lOOOOO憎卯卯卯卯什印卯M万方数据542 东南大学学报(自然科学版) 第47卷2 基于OSRF的网壳结构抗震性能水准量化及指标限值21 K6型网壳结构抗震性能水准量化算例结果表明，OSRF对矢跨比大于等于14的K6型网壳结构的抗震性能描述准确因此，本文结合5个网壳算例的计算结果进行分析当叼约为010时，结构杆件只有少量进入1P塑性，结构位移较小，杆件基本保持完好，因此取77=010作为

19、轻微破坏和中等破坏界限值当卵=010075时，结构整体刚度参数迅速减小，塑性发展逐步深入，但各杆件塑性发展深度随等效位移的增大时增时减，并非稳定持续增加；当卵075时，10P塑性杆件数量迅速增加，各杆件的塑性发展深度持续快速增加，杆件屈服较为严重，因此，可取77=075作为中等破坏和严重破坏界限值当77约为100时，结构整体刚度趋近于0，各杆件塑性发展程度较深，可认为结构已经失去抵抗荷载的能力，发生倒塌，因此可取田=100作为严重破坏和倒塌的界限值本文采用卵值作为指标，将矢跨比大于等于14的K6型网壳结构性能水准划分量化，结果见表3表3基于OSRF的K6型网壳结构性能水准划分在结构抗震性能水准

20、划分界限值叼=010，075，100的对应时刻，5个算例塑性发展的杆件比例值如图4所示露羞蛙枣基丑廷挺1P2Pb1Pq一2P3P一x一一4P一一5Po6P7P一8P9Po10P_。一1P o 2P-3P一一x一一4P一*一5Po 6P一7P一8P一一一9P一_o一一10P(C)叼=100图4水准划分界限值塑性发展隋况由图4可知，当7=010时，1P塑性杆件比例约为04，2P塑性杆件比例约为02，无其他http：joumalseueducn类型的塑性杆件，这表明只有少量杆件进入塑性，且塑性发展程度较浅；当卵=075时，1P塑性杆件比例最高时已接近20，表明已有较多杆件进入塑性，且已有约3的杆件达

21、到10P塑性，可认为杆件屈服已经较为严重，塑性发展较为深入；当田=100时，1P塑性杆件比例接近50，表明大量杆件已进人塑性，且10P塑性杆件比例已接近20，杆件屈服非常严重，可认为结构整体已经倒塌22 K6型网壳结构抗震性能设计指标限值依据建筑抗震设计规范(GB5001 12010)对多高层框架结构进行抗震分析时，需验算多遇地震作用下的弹性层间位移角以及罕遇地震作用下薄弱层的弹塑性层间位移角，并分别给出设计指标限值根据规范对于多高层结构的性能设计指标和限值的相关规定及设定依据，以及上述K6型网壳结构抗震性能水准划分，可采用田作为矢跨比大于等于14的K6型网壳结构的抗震设计指标算例分析结果表明

22、，当77010时，结构整体刚度参数值显著减小，杆件塑性发展程度明显加深，结构位移明显增大，可认为结构位移的增大已导致围护结构、附属结构等发生显著破坏，难以继续维持结构的使用功能因此，进行多遇地震下的弹性变形验算时，万方数据第3期 罗永峰，等：基于整体刚度折减系数的网壳结构抗震性能参数 543可取010作为77的设计限值另外，当叼075时，塑性杆件数量迅速增加，杆件的塑性发展深度持续快速增加，产生大量深塑性杆件，构件屈服情况较为严重，且当叼约为10时，结构整体刚度趋近于0，可认为结构已经失去抵抗荷载的能力，发生倒塌从偏于安全的设计角度出发，进行罕遇地震下的弹塑性变形验算时，取叼=080为设计限值

23、，以确保结构在经历严重的地震破坏后不发生倒塌，从而保证生命及财产安全总之，对于矢跨比大于等于14的K6型网壳结构，77的验算限值如下：进行多遇地震下的弹性变形验算时，730CO；2一N3张毅刚，杨大彬，吴金志基于性能的空间结构抗震设计研究现状与关键问题J建筑结构学报，2010，31(6)：145152Zhang Yigang，Yang Dabin，Wu JinzhiResearch status and key issue of performancebased seismic design ofspatial structuresJ_Journal of Building Structure

24、s，2010，31(6)：145152(in Chinese)4罗永峰，相阳，沈祖炎大跨空间结构地震反应分析方法研究应用现状J力学季刊，2015，36(1)：110Luo Yongfeng，Xiang Yang，Shen ZuyanResearchand application status of seismic analysis techniques forlarge-span spatial structuresJChinese Quartefly ofMechanics，2015，36(1)：110(in Chinese)5沈世钊，支旭东球面网壳结构在强震下的失效机理http：journ

25、alseueducnJ土木工程学报，2005，38(1)：1120DOI：103321jissn：1000131X200501002Shen Shizhao，Zhi XudongFailure mechanism of reticular shells subjected to dynamic actionsJ 1China CivilEngineering Journal，2005，38(1)：1120DOI：103321jissn：1000131X200501002(in Chinese)6支旭东，聂桂波，范峰，等大跨度单层球面网壳的损伤模型及强震失效J哈尔滨工业大学学报，2009，41(

26、8)：611Zhi Xudong，Nie Guibo，Fan Feng，et a1Damagemodel and failure mechanism of long-span single-layerreticulated domes under earthquakeJJournal of liar-bin Institute ofTechnology，2009，41(8)：6一11(inChinese)7聂桂波，范峰，支旭东大跨空间结构性能水准划分及其易损性分析J哈尔滨工业大学学报，2012，44(4)：I一6Nie Guibo，Fan Feng，Zhi XudongDivision of

27、seismicperformance level and its vulnerability analysis in largespan space structureJJournal of Harbin Institute ofTechnology，2012，44(4)：16(in Chinese)8杨木旺大跨度刚性空间结构竖向地震的静力弹塑性分析D上海：同济大学土木工程学院，20079Ohsaki M，Zhang J YPrediction of inelastic seismicresponses of arch-type longspan structures using a seri

28、esof multimodal pushover analysesJJournal of the International Association for ShellSpatial Structures2013，54(175)：273710相阳，罗永峰，郭小农，等基于整体刚度参数的空间结构模态推覆分析J同济大学学报(自然科学版)，2015，43(12)：17711776DOI：1011908jissn0253374x201512001Xiang Yang，Luo Yongfeng，Guo Xiaonong，et a1Modal pushover analysis of spatial str

29、uctures based onthe overall structural stiffness parameterJJournal ofTonedi University(Natural Science)，2015，43(12)：17711776DOI：1011908jissn0253374x201512001(in Chinese)11相阳，罗永峰，郭小农，等空间结构弹塑性地震反应分析的简化模型与方法J东南大学学报(自然科学版)，2015，45(4)：750755DOI：103969jissn10010505201504024Xiang Yang，Luo Yongfeng，Guo Xiaonong，et a1Simplified model and procedure for elastoplastic seis。mic response analysis of spatial structureJJournalof Southeast University(Natural Science Edition)，2015，45(4)：750755DOI：103969jissn10010505201504024(in Chinese)万方数据