大跨屋盖-支承结构-地基协同工作抗震性能研究

传统设计通常将网格屋盖与下部支承结构作为整体，与基础分开进行受力分析，一般将地基假定为刚性，不考虑其于结构的相互作用。然而，由于地基的相对柔性和无限性，使得按传统刚性地基假定计算的结构静力特性与地震响应与结构实际受力状态存在一定的差异，尤其是地震响应。项目针对大跨结构中网格屋盖与支承结构及地基的协同工作进行理论分析与试验研究，确定了土-结构相互作用对网格结构动力特性和抗震性能的影响。课题研究内容涉及大跨网格屋盖-支承结构-地基协同工作精细化模型的建立、结构动力特性、抗震性能分析和振动台试验研究等内容。项目的主要成果如下：（1）提出了单层柱面网壳结构精细化建模方法；（2）推导出了可用于精细化模型失效分析的材料双向损伤本构模型；（3）利用精细化模型研究了节点刚度对单层柱面网壳地震响应和动力稳定性的影响；（4）建立了适用于大跨结构的大跨屋盖-支承结构-地基协同工作抗震分析的地基和地震动输入模型，研究了场地土特性和地震动输入变化对网格结构动力特性和地震特征响应的影响；（5）基于相似准则，设计和制作了网壳-支承结构-地基协同工作振动台试验模型，并进行了相关研究。

针对大跨结构中网格屋盖与支承结构及地基的协同工作进行理论分析与试验研究，探索适用于大跨结构的整体抗震分析方法。研究涉及大跨网格屋盖-支承结构-地基协同工作精细化模型的建立、振动台试验研究、结构动力特性和抗震性能分析等内容。协同工作精细化模型研究重点解决结构与地基的相互作用问题，确定适用于大跨网格结构地基的边界条件，为结构整体分析提供理论基础；振动台试验围绕试验模型的相似规律，设计出合理的试验模型，对结构的动力特性和抗震性能进行全面测试，考察地基与结构相互作用对结构抗震性能的影响；结合精细化模型和试验结果，对结构动力方程开展算法研究，解决协同工作计算中的收敛性与速度问题，并基于现有的有限元软件进行二次开发，编制专用分析程序进行参数分析，考察基础土体参数、基础形式、屋盖结构及支承结构刚度、地震动输入激励等因素对结构抗震性能的影响；最后基于参数分析，提出实用分析方法，使项目研究成果便于工程应用。

大型复杂结构地震灾变机理的分析理论是当前和今后结构抗震研究的热点和难点。课题组围绕大跨混凝土桥梁地震灾变机理和抗震性能，进行了理论研究和试验验证。研究内容涉及：1）文献分析，指出当前大型复杂桥梁结构地震灾变研究手段的局限性；2）理论模型，根据大跨桥梁震害机理分析的需求，发展了基于损伤本构理论模型的分析方法，给出了计算大型桥梁地震损伤分析的纤维梁模型；3）数值算法，发展了基于变分理论的损伤本构算法，编制了基于大型商业软件的二次开发子程序；4）考虑结构灾变过程中的多重非线性效应（材料、几何、损伤以及阻尼、支座等边界非线性）；5）试验验证，根据理论研究是需要，设计了21个正方形实心和空心、矩形空心截面桥墩模型，进行了拟静力试验研究，关于试验过程的数值模拟显示，给出的理论模型是合理的。 2100433B