杆件滞回模型的研究与空间桁架结构地震倒塌分析

摘要

空间桁架体系目前被大量的运用在桥梁、海洋平台、输电塔及大跨屋架等结构中，该种结构体系在几何非线性和材料非线性方面非常敏感，一根杆件的屈曲或者失效，就会引起结构的动力响应甚至造成连续倒塌。在地震作用下，桁架结构的破坏和倒塌更是不计其数，例如在2008年汶川地震中，20多座输电塔发生倒塌，造成供电系统瘫痪和巨额经济损失。因此，对杆件滞回模型的研究和空间桁架结构的地震倒塌模拟具有重要的工程价值。本文主要内容有以下方面： 1.基于有限元软件ABAQUS，建立了单根杆件的精确有限元模型，该模型既可以精确反映杆件的滞回行为，又可以捕捉杆件的局部屈曲和损伤断裂，并通过与试验对比，证明了本文有限元模型的有效性。 2.利用MATLAB软件，通过试验数据和数值数据，对描述杆件行为的公式进行了回归分析，提出了描述圆管杆件滞回行为的现象模型。该模型可以考虑杆件受拉屈服和材料强化、受压非线性屈曲、由包辛格效应引起的屈曲临界荷载的降低、由低周疲劳效应引起的屈服荷载的降低及断裂等复杂行为，且与精细的有限元模型的模拟结果吻合较好。 3.基于集中塑性铰理论，提出了描述杆件滞回的物理模型。该模型可以考虑杆件的受拉屈服、受压非线性屈曲、包辛格效应及伸长效应等复杂现象。该模型不受杆件截面形式的限制，可以适用于不同截面形式的杆件，且与试验结果吻合较好。 4.利用MATLAB开发了动力显式计算程序，当杆件采用理想弹塑性单元时，其计算出的结构动力响应与ANSYS基本一致，证明了程序开发的正确性；嵌入了本文所提的现象滞回模型程序和物理滞回模型程序，实现了结构的非线性屈曲分析；并对每种单元模型定义了相应的破坏准则，模拟了空间桁架结构的地震倒塌过程。 5.对一真实的122m高耸输电塔结构进行了IDA分析，评估了该输电塔的抗震能力，发现该输电塔结构有较高的安全系数。

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