大跨度懸臂桁架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)震失效機(jī)制研究

　摘要 ：大跨度懸臂桁架結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于體育場(chǎng)館、會(huì)展中心等公共建筑中，其在強(qiáng)震下的失效機(jī)理值得關(guān)注。本文對(duì)懸臂桁架的失效模式及失效特點(diǎn)進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析了懸臂桁架結(jié)構(gòu)的失效機(jī)制；通過(guò)大規(guī)模的參數(shù)分析，討論了結(jié)構(gòu)的失效極限荷載隨不同地震作用、結(jié)構(gòu)初始缺陷、跨高比等參數(shù)的變化規(guī)律。 

　　關(guān)鍵詞：懸臂桁架結(jié)構(gòu)；強(qiáng)震作用；失效機(jī)制；失效模式 

　　雖然鋼管桁架在近些年得到了飛速的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用在體育場(chǎng)館、展覽館、機(jī)場(chǎng)航站樓等大跨度空間建筑中；但是當(dāng)前針對(duì)于桁架結(jié)構(gòu)的研究多以實(shí)際工程為對(duì)象，研究?jī)?nèi)容也多是具體工程的受力特點(diǎn)及設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析，較少進(jìn)行系統(tǒng)的理論探討，尤其是結(jié)構(gòu)在地震下的響應(yīng)規(guī)律及強(qiáng)震失效機(jī)理研究尚屬空白。本文正是在這樣的背景下，應(yīng)用動(dòng)力荷載域全過(guò)程分析技術(shù)及ABAQUS有限元軟件，通過(guò)系統(tǒng)的參數(shù)研究，探討懸臂桁架結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的失效機(jī)理，定義該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)震失效模式，在大量算例分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)震失效規(guī)律。 

　　一、懸臂桁架結(jié)構(gòu)的典型強(qiáng)震失效模式 

　　以考慮材料損傷累積的桁架CT30080910（符號(hào)說(shuō)明：例CT30080910，其中CT代表懸臂桁架，30表示跨度為30m，08表示跨高比為8，09表示屋面質(zhì)量為90kg/m2，10表示截面應(yīng)力比為1.0。其他算例符號(hào)與此相似，可類(lèi)推得到）在三向Taft波地震作用下為例，說(shuō)明它在不同地震作用強(qiáng)度下一些動(dòng)力全過(guò)程響應(yīng)，其它算例的規(guī)律均與此算例類(lèi)似，不再贅述。 

　　桁架的各特征響應(yīng)如圖1所示，荷載幅值為400gal時(shí)，結(jié)構(gòu)只有上弦根部的一根桿件開(kāi)始進(jìn)入塑性（圖1b），結(jié)構(gòu)最大節(jié)點(diǎn)位移也僅有0.1757m（圖1a），沒(méi)有出現(xiàn)全截面屈服的桿件。隨荷載增大，塑性進(jìn)一步發(fā)展，當(dāng)荷載增至900gal時(shí)，除根部桿件出現(xiàn)全截面塑性外，中部上弦斜桿出現(xiàn)全截面塑性，結(jié)構(gòu)最大節(jié)點(diǎn)位移增至0.346m，結(jié)構(gòu)仍然能夠保持平衡振動(dòng)（圖1c）；當(dāng)荷載增加至950gal時(shí)，塑性桿件劇增，根部?jī)蓚�(gè)節(jié)間的上、下弦桿及腹桿都進(jìn)入了全截面塑性，結(jié)構(gòu)振動(dòng)發(fā)散。結(jié)構(gòu)在900gal以前一直保持著懸臂的變形狀態(tài)，而在950gal時(shí)發(fā)生了嚴(yán)重的倒塌，因此，可以判定荷載幅值950gal是結(jié)構(gòu)的倒塌荷載，900gal是結(jié)構(gòu)的失效極限荷載。 

　　在這一算例中，懸臂桁架結(jié)構(gòu)隨著荷載幅值的不斷增加，桿件塑性不斷深入發(fā)展，最后因?yàn)橄孪覘U件塑性過(guò)度發(fā)展，變形過(guò)大而發(fā)生倒塌。結(jié)構(gòu)倒塌時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的材料、特別是在懸臂桁架根部產(chǎn)生了嚴(yán)重的塑性變形，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的倒塌是由于根部材料強(qiáng)度失效引起的，因此該結(jié)構(gòu)破壞形式屬于動(dòng)力強(qiáng)度破壞范疇。而同網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)不同的是，懸臂桁架結(jié)構(gòu)材料塑性發(fā)展并不均衡，只是根部的兩個(gè)節(jié)間的桿件全部進(jìn)入塑性，其他節(jié)間塑性發(fā)展相對(duì)要弱一些，這也體現(xiàn)了懸臂桁架這種結(jié)構(gòu)形式的受力特點(diǎn)，即從根部到懸臂端受力逐漸減小。 

　　二、結(jié)構(gòu)失效響應(yīng)規(guī)律 

　　從圖2可以看出，懸臂桁架結(jié)構(gòu)是一種缺陷不敏感結(jié)構(gòu)，它的倒塌極限荷載并沒(méi)有隨著初始幾何缺陷的增大而降低，塑性深度的發(fā)展受初始缺陷的影響也特別小。因此為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在計(jì)算分析中懸臂桁架可以忽略初始幾何缺陷的影響。通過(guò)計(jì)算可得，在不同的地震動(dòng)作用下，結(jié)構(gòu)的特征響應(yīng)差別很大，這在圖3中有明顯的體現(xiàn)。其中，結(jié)構(gòu)在Taft波作用下的地震響應(yīng)更大，有的甚至相差兩倍以上。除此之外，從其它結(jié)構(gòu)的全過(guò)程響應(yīng)變化趨勢(shì)上來(lái)看，結(jié)構(gòu)在三種地震動(dòng)作用下的響應(yīng)規(guī)律還是基本一致的。分別采用單維（包括水平和豎向地震輸入）以及三維地震動(dòng)輸入，可以看出結(jié)構(gòu)在三維地震下的動(dòng)力特征響應(yīng)比單維的更加劇烈，且豎向和三維地震作用引起的反應(yīng)相差很小，因此，在精度要求不是很高的時(shí)候，也可以近似用豎向地震動(dòng)代替三維地震。圖5可以得出懸臂桁架結(jié)構(gòu)的抗震性能隨高跨比的變化趨勢(shì)為：隨高跨比的減小，結(jié)構(gòu)的失效極限荷載幅值有增大趨勢(shì)，以1/8和1/12對(duì)比，有些情況甚至提高一倍多；結(jié)構(gòu)的桿件塑性發(fā)展程度隨著高跨比的減小有加深趨勢(shì)。圖3-12b中顯現(xiàn)出，不同高跨比的桁架最大節(jié)點(diǎn)位移集中在0.3m～0.75m之間，隨高跨比的變化并沒(méi)有一致的變化規(guī)律，判斷結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展深度需要綜合考慮結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)特征響應(yīng)指標(biāo)。 

　　三、結(jié)論 

　　本文通過(guò)對(duì)懸臂桁架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)9707失效規(guī)律進(jìn)行研究，獲得了結(jié)構(gòu)的失效模式及結(jié)構(gòu)隨各工程參數(shù)的變化影響規(guī)律，研究?jī)?nèi)容可為工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。