大跨屋蓋-支承結(jié)構(gòu)-地基協(xié)同工作抗震性能研究項目摘要

針對大跨結(jié)構(gòu)中網(wǎng)格屋蓋與支承結(jié)構(gòu)及地基的協(xié)同工作進行理論分析與試驗研究，探索適用于大跨結(jié)構(gòu)的整體抗震分析方法。研究涉及大跨網(wǎng)格屋蓋-支承結(jié)構(gòu)-地基協(xié)同工作精細化模型的建立、振動臺試驗研究、結(jié)構(gòu)動力特性和抗震性能分析等內(nèi)容。協(xié)同工作精細化模型研究重點解決結(jié)構(gòu)與地基的相互作用問題，確定適用于大跨網(wǎng)格結(jié)構(gòu)地基的邊界條件，為結(jié)構(gòu)整體分析提供理論基礎(chǔ)；振動臺試驗圍繞試驗?zāi)Ｐ偷南嗨埔?guī)律，設(shè)計出合理的試驗?zāi)Ｐ?，對結(jié)構(gòu)的動力特性和抗震性能進行全面測試，考察地基與結(jié)構(gòu)相互作用對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響；結(jié)合精細化模型和試驗結(jié)果，對結(jié)構(gòu)動力方程開展算法研究，解決協(xié)同工作計算中的收斂性與速度問題，并基于現(xiàn)有的有限元軟件進行二次開發(fā)，編制專用分析程序進行參數(shù)分析，考察基礎(chǔ)土體參數(shù)、基礎(chǔ)形式、屋蓋結(jié)構(gòu)及支承結(jié)構(gòu)剛度、地震動輸入激勵等因素對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響；最后基于參數(shù)分析，提出實用分析方法，使項目研究成果便于工程應(yīng)用。

傳統(tǒng)設(shè)計通常將網(wǎng)格屋蓋與下部支承結(jié)構(gòu)作為整體，與基礎(chǔ)分開進行受力分析，一般將地基假定為剛性，不考慮其于結(jié)構(gòu)的相互作用。然而，由于地基的相對柔性和無限性，使得按傳統(tǒng)剛性地基假定計算的結(jié)構(gòu)靜力特性與地震響應(yīng)與結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)存在一定的差異，尤其是地震響應(yīng)。項目針對大跨結(jié)構(gòu)中網(wǎng)格屋蓋與支承結(jié)構(gòu)及地基的協(xié)同工作進行理論分析與試驗研究，確定了土-結(jié)構(gòu)相互作用對網(wǎng)格結(jié)構(gòu)動力特性和抗震性能的影響。課題研究內(nèi)容涉及大跨網(wǎng)格屋蓋-支承結(jié)構(gòu)-地基協(xié)同工作精細化模型的建立、結(jié)構(gòu)動力特性、抗震性能分析和振動臺試驗研究等內(nèi)容。項目的主要成果如下：（1）提出了單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)精細化建模方法；（2）推導(dǎo)出了可用于精細化模型失效分析的材料雙向損傷本構(gòu)模型；（3）利用精細化模型研究了節(jié)點剛度對單層柱面網(wǎng)殼地震響應(yīng)和動力穩(wěn)定性的影響；（4）建立了適用于大跨結(jié)構(gòu)的大跨屋蓋-支承結(jié)構(gòu)-地基協(xié)同工作抗震分析的地基和地震動輸入模型，研究了場地土特性和地震動輸入變化對網(wǎng)格結(jié)構(gòu)動力特性和地震特征響應(yīng)的影響；（5）基于相似準則，設(shè)計和制作了網(wǎng)殼-支承結(jié)構(gòu)-地基協(xié)同工作振動臺試驗?zāi)Ｐ?，并進行了相關(guān)研究。

大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)地震災(zāi)變機理的分析理論是當前和今后結(jié)構(gòu)抗震研究的熱點和難點。課題組圍繞大跨混凝土橋梁地震災(zāi)變機理和抗震性能，進行了理論研究和試驗驗證。研究內(nèi)容涉及：1）文獻分析，指出當前大型復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)地震災(zāi)變研究手段的局限性；2）理論模型，根據(jù)大跨橋梁震害機理分析的需求，發(fā)展了基于損傷本構(gòu)理論模型的分析方法，給出了計算大型橋梁地震損傷分析的纖維梁模型；3）數(shù)值算法，發(fā)展了基于變分理論的損傷本構(gòu)算法，編制了基于大型商業(yè)軟件的二次開發(fā)子程序；4）考慮結(jié)構(gòu)災(zāi)變過程中的多重非線性效應(yīng)（材料、幾何、損傷以及阻尼、支座等邊界非線性）；5）試驗驗證，根據(jù)理論研究是需要，設(shè)計了21個正方形實心和空心、矩形空心截面橋墩模型，進行了擬靜力試驗研究，關(guān)于試驗過程的數(shù)值模擬顯示，給出的理論模型是合理的。 2100433B