阶跃荷载阶跃荷载作用下单层球面网壳动力破坏研究

利用有限元分析软件ANSYS，杆件采用梁单元(Pipe20单元)，综合宏观和微观两个方面、多项特征响应指标分析了阶跃荷载下结构的破坏特点、破坏荷载的定义，研究了荷载方向、屋面重量、矢跨比、初始缺陷以及跨度对结构动力破坏的影响，为网壳结构在强震下的动力破坏研究提供必要的理论支持。

单层球面网壳考虑沿球壳曲面均布的满跨静荷载分别为100、200、300、400kg /m²，以集中质量的形式作用于节点；阻尼假定为Reileigh阻尼，阻尼比0.02；网壳的节点均为刚性连接，周边支承形式为三向固定铰支；模型按1/300一致缺陷下2倍重力安全度选取杆件截面，满足实际工程要求；初始缺陷采用一致缺陷模态。

阶跃荷载阶跃荷载下网壳动力响应的特点

取40m跨度理想无缺陷K8型单层球面网壳、矢跨比1/3在水平阶跃荷载下为例。

由图1a和图1b，结构在较小的荷载幅值下保持弹性工作，位移也基本按比例递增；荷载幅值达到375gal 时结构材料开始出现塑性，有两根1P(在单元截面8个积分点中至少一个进入塑性，其余类推)杆件出现；随后，塑性随荷载递增不断发展，结构位移持续增大，在700gal 时位移曲线发生明显转折，说明结构刚度此时由于材料塑性发展已经明显弱化，达到825gal 后节点最大位移、塑性发展程度、结构总变形能等特征响应指标发生突变，结构倒塌破坏。纵观各响应指标表明，荷载幅值825gal 是明显的结构弱化点，定义其为结构动力破坏临界荷载是合理的；在临界荷载下，1P杆件比例28.1% ，8P杆件比例10.3% ，位移0.15m，位移延性系数(结构中最大节点位移与进入塑性时刻最大节点位移之比)4.0。

阶跃荷载在频域上是一个超低频动力作用，其动力破坏特点应当与低频简谐荷载规律类似，更进一步说，应该与静力作用也近似。取本例与同一网壳结构在1.0Hz水平简谐荷载结果比较，两者破坏荷载接近，简谐荷载680gal 略小于阶跃荷载的825gal，塑性发展范围相当(如图2)，对比其它算例基本体现了这一特点；对比荷载幅值-节点最大位移曲线(图1c)，简谐荷载动力失稳现象更加明显，而阶跃荷载塑性发展稍好，在位移曲线上表现为较简谐荷载有一明显的偏转，在一定程度上体现了动力强度破坏的特征，但是这一过程较短即达到破坏临界荷载，所以将此算例归结为动力失稳或动力强度破坏都不合适，其拥有了两者的响应特点，破坏特征介于两者之间。

表1给出了主要参与振型的对比，结构主要参与振型相对比较集中，阶数分散，均以第一阶(1、2阶为变形轴向垂直的同一振型)反对称振型为主，第4阶反对称振型也有较大参与，其余均以对称振型运动为主。

阶跃荷载结论

K8型单层球面网壳在阶跃荷载下的响应接近于低频简谐荷载，但尚有区别，动力强度破坏与动力失稳没有明显界限。理想结构达到破坏临界荷载时，8P比例一般在10%左右，表明结构塑性发展不深；荷载幅值-位移曲线在破坏前大部近似于弹性，破坏较突然；结构位移延性系数均达到2.0以上；缺陷对结构宏、微观响应的影响较大。 2100433B

阶跃荷载是最简单的动力荷载，它的幅值不随时间变化，其函数表达式为荷载F=某常数A（时间t>0），即荷载值不随时间变化而变化。阶跃荷载体现了结构抗干扰的能力，其研究对地震作用下的网壳动力破坏研究具有重要的参考价值。

施工荷载施工荷载的非均布性

因为施工操作的需要，楼面或屋面上出现的施工荷载往往集中在中间局部面积上，例如在楼面上砌砖，根据操作需要，通常将材料集中堆放在房间中央附近面积上。这将使楼板内的荷载效应放大。

施工荷载集中荷载

模板支撑、脚手架以及堆放构件、材料的垫块所产生的都是集中荷载。在总荷载相同的条件下，集中荷载产生的弯矩通常情况下比均布荷载大，例如堆放构件通常在其下面设垫木，即将均布荷载转化为集中荷载，施工人员若不注意，这种荷载可能出现在梁或板的跨中附近，产生较大的弯矩。在预制楼盖上，如果垫木放在一块楼板上，问题更加严重。重庆市某高校宿舍因在楼面上堆放 5 块空心板，垫木又放在一块预制板的跨中附近，当施工中站在板上指挥施工时，该预制预应力空心板突然断塌。事后的结构验算证明，在这种受力状况下，空心板中的冷拔低碳钢丝的应力已超过其极限强度，钢丝断裂造成板垮塌。

施工荷载施工荷载的动力性及重复性

施工中经常利用楼面堆放或转运材料，转运产生的荷载常具有动力作用和重复作用，当荷载出现在跨中附近时，其后果的严重性不言而喻。转运荷载的动力作用，结构设计规范规定乘以 1.5 的系数，荷载效应随之加大。至于重复荷载，因为并无规律性，结构设计规范也无具体规定，但是其后果是不容忽视的。曾有报导在冷拔钢丝空心楼板中，尽管板内钢丝应力始终低于设计强度，但也会发生破坏。某工程用起重机转运建筑材料，反复在楼面上同一位置附近加荷、卸荷，次数过于频繁而造成楼盖严重损坏。

桥（桥梁）荷载 load on bridge ：建筑学术语，指桥结构设计应考虑的各种可能出现荷载的统称，包括恒荷载、活荷载和其他荷载。 2100433B