强震作用下考虑损伤累积效应的相贯节点网架结构失效机理研究

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本文研究对象为一种新型的网架结构——相贯节点(Tubular Joint)网架结构,此类结构集合了部分钢管桁架结构的特点,同时又很好地解决了传统网架结构节点用钢量较大的问题,减轻了屋盖结构的自重。随着空间钢管结构设计理论和施工技术的不断进步,此类结构的工程应用前景较好。目前此类结构静力作用下的受力分析理论已较为成熟,但其在强震作用下,考虑损伤累积效应的动力响应及破坏模式等内容,目前仍处于探索阶段。为研究此类结构在强震下考虑损伤累积后的破坏机理,本文运用ABAQUS有限元分析软件,建立了尺寸为44m×44m的TJ网架算例有限元模型进行增量动力时程分析。算例模型杆件选用可输出杆件截面8积分点应力应变的Beam31梁单元,算例主弦杆为贯通刚接,主次弦杆连接处设置为铰接。整体结构算例进行静、动力分析时均考虑材料非线性和几何非线性。静力分析施加竖向静力荷载;而动力分析选用了4条实际地震波,分别是天津地震波、El-Centro(1940年)波、Taft(1952年)波和汶川地震波,根据每一条地震波峰值调整相应的各地震波,分别得出四组地震荷载幅值,对算例进行多重响应增量动力时程分析,即不断加大各地震荷载幅值,对每一条波的每一个地震强度的算例结构做一次时程分析,考察每一荷载幅值时程分析下算例结构多个动力响应指标情况,分析其塑性发展情况等,直到算例结构发生动力失效破坏,并根据多个动力响应,综合分析判别出算例结构的失效类别。主要研究内容及结论如下:1)在竖向静力荷载作用下,主要察看了算例结构主要杆件内力和主要节点位移变化情况并将其与刚接模型作比较:各方向上,算例结构节点位移均稍大于刚接模型的节点位移值;主桁架上、下弦杆的轴力值与刚接模型的比较,有微小的增加;对于次桁架而言,由于本文模型算例的次弦杆铰接于主弦杆上,在荷载作用下,其整体刚度出现弱化,杆件发生内力重分布,促使模型主桁架的轴力有所增大,次桁架轴力相对有所减少。2)根据材料韧性参数和损伤累积断裂模型CVGM判据,得到损伤因子D的定义,以便预测杆件的断裂。3)采用ABAQUS非线性动力隐式分析,分别对整体结构模型进行4组不同地震波不同荷载幅值下的动力时程分析,并主要考察结构最大节点位移、结构中不同屈服程度杆件比例、不同程度断裂杆件数目以及最大单元相对应变四个动力响应指标,通过分析不同响应指标随荷载幅值增加的全过程变化规律,判断算例结构的强震失效模式。本文结合最大节点位移响应、及梁单元8积分点的屈服状况表征出的不同屈服程度杆件比例和杆件截面断裂情况,可以很好的反映算例结构的塑性发展情况。4)根据CVGM判据及损伤因子D对算例各杆件进行断裂预测,预测整体结构算例各杆件的断裂情况,考察算例结构不同断裂程度杆件数目这一动力响应。为TJ网架整体抗震模拟中考虑损伤累积效应提供了一个思路。5)由多重响应动力时程分析发现:4组不同地震波下,算例结构的各动力响应有相似的发展趋势,均表现为:随着荷载幅值的增加,算例结构的最大节点位移不断增大,其刚度在不断的减弱,不同屈服程度杆件比例不断上升,塑性不断的发展直至充分,最后由于凹陷过大,失去继续正常使用能力。由多个响应指标结合分析,可以判断本文算例结构在强震作用下的失效机理为动力强度破坏。6)本文根据四个动力响应指标分析和经验统计,较全面和综合的分析出本文算例结构在各地震波作用下的动力强度极限荷载。
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