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大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能 版權(quán)信息
- ISBN:9787030731487
- 條形碼:9787030731487 ; 978-7-03-073148-7
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數(shù):暫無
- 重量:暫無
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大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能 內(nèi)容簡介
針對當前大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌研究上的不足,采用理論分析、試驗研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,開展大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌性能研究。構(gòu)建大跨度單層空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)性倒塌快速評估方法,研究不同節(jié)點形式的魯棒性,探明大跨度單層空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌的設(shè)計方法,并獲得防止該類結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的控制指標和相關(guān)構(gòu)造措施。
大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能 目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)概述 1
1.1.1 大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的應用現(xiàn)狀 1
1.1.2 大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的發(fā)展及趨勢 3
1.2 抗連續(xù)倒塌的研究意義 5
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 7
1.3.1 抗連續(xù)倒塌機制與失效機理 7
1.3.2 抗連續(xù)倒塌分析方法 8
1.3.3 連續(xù)倒塌試驗 9
1.3.4 抗連續(xù)倒塌設(shè)計思路 10
1.4 本書主要內(nèi)容 11
參考文獻 12
第2章 結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌機制及其工作機理 16
2.1 連續(xù)倒塌失效模式 16
2.2 抗連續(xù)倒塌機制試驗研究 19
2.2.1 子結(jié)構(gòu)試件設(shè)計 19
2.2.2 試驗裝置及加載方案 21
2.2.3 測試儀器布置 22
2.2.4 穩(wěn)定失效試驗結(jié)果及分析 23
2.2.5 強度失效試驗結(jié)果及分析 25
2.3 抗連續(xù)倒塌工作機理有限元分析 29
2.3.1 有限元模型 29
2.3.2 模型驗證 30
2.3.3 單根桿件受力分析 33
2.4 本章小結(jié) 37
參考文獻 38
第3章 等效沖擊荷載下結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能 39
3.1 試驗方案 39
3.1.1 子結(jié)構(gòu)試件設(shè)計 39
3.1.2 試驗裝置及加載方案 40
3.1.3 測試儀器布置 42
3.2 試驗現(xiàn)象及分析 44
3.2.1 動力過程試驗現(xiàn)象 44
3.2.2 荷載時程曲線 45
3.2.3 應變和位移時程曲線 47
3.3 有限元分析 51
3.3.1 有限元模型 51
3.3.2 自振頻率分析 52
3.3.3 有限元驗證及討論 54
3.4 重要區(qū)域確定 58
3.4.1 有限元模型 58
3.4.2 拆除單根桿件動力分析 61
3.4.3 重要區(qū)域 64
3.5 本章小結(jié) 65
參考文獻 66
第4章 局部破壞下結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能 67
4.1 試驗方案 67
4.1.1 試件設(shè)計 67
4.1.2 試驗裝置 69
4.1.3 加載方案 72
4.1.4 數(shù)據(jù)測點的布置 73
4.2 試驗現(xiàn)象及分析 74
4.2.1 試件SS-K6-1 74
4.2.2 試件SS-K6-2 78
4.2.3 試件SS-K6-3 81
4.2.4 試件SS-K6-4 83
4.2.5 試件SS-TD-1 87
4.2.6 試件SPD-K6-1 90
4.3 不同參數(shù)試驗模型對比 93
4.4 本章小結(jié) 95
參考文獻 96
第5章 大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌分析方法 97
5.1 重要構(gòu)件選取 98
5.1.1 重要構(gòu)件的初選范圍 98
5.1.2 多重響應綜合判別方法 100
5.1.3 算例分析 101
5.2 考慮施工效應的備用荷載路徑法 106
5.2.1 基本原理 106
5.2.2 算例分析 107
5.3 連續(xù)倒塌動力效應 109
5.3.1 基本理論 109
5.3.2 算例分析 112
5.4 動力效應簡化模擬方法 117
5.4.1 基本原理 117
5.4.2 算例分析 118
5.4.3 荷載動力放大系數(shù)的取值范圍 121
5.5 多尺度模型 122
5.5.1 多尺度模型關(guān)鍵問題 122
5.5.2 多尺度模型驗證 123
5.5.3 單層網(wǎng)殼多尺度模型抗連續(xù)倒塌分析 126
5.6 損傷參數(shù)的影響 131
5.6.1 網(wǎng)殼倒塌過程 131
5.6.2 材料損傷斷裂參數(shù)分析 133
5.6.3 應力三軸度影響分析 137
5.7 本章小結(jié) 142
參考文獻 142
第6章 大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌評估方法 144
6.1 基于增量動力分析的抗連續(xù)倒塌評估法 144
6.2 影響因素分析 146
6.2.1 初始幾何缺陷 146
6.2.2 材料應變率效應 149
6.2.3 材料損傷 153
6.3 單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌評估 157
6.4 本章小結(jié) 158
參考文獻 159
第7章 工程應用 160
7.1 主體育場鋼屋蓋有限元模型 161
7.2 抗連續(xù)倒塌分析方法工程應用 162
7.2.1 基于初選范圍的多重響應分析 162
7.2.2 考慮施工效應的備用荷載路徑法分析 163
7.3 抗連續(xù)倒塌評估方法工程應用 168
7.4 本章小結(jié) 170
參考文獻 171
大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能 節(jié)選
第1章 緒論 1.1 大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)概述 1.1.1 大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的應用現(xiàn)狀 近年來,隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和建筑科學技術(shù)的進步,大跨度空間結(jié)構(gòu)已成為當代建筑中*重要和*活躍的結(jié)構(gòu)形式之一。 空間結(jié)構(gòu)根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式通常可以分為以下四種:實體結(jié)構(gòu)(薄殼結(jié)構(gòu)、折板結(jié)構(gòu)等)、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(網(wǎng)架、網(wǎng)殼、立體桁架等)、張拉結(jié)構(gòu)(懸索結(jié)構(gòu)、薄膜結(jié)構(gòu)等)及混合結(jié)構(gòu)(張弦桁架體系、斜拉網(wǎng)殼等)[1]。空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有跨度大、質(zhì)量輕、造型豐富優(yōu)美的優(yōu)點,被廣泛應用于大眾文化交流、體育、娛樂及航空港等重要設(shè)施中(如體育館、展覽館、影劇院等)。國際殼體與空間結(jié)構(gòu)協(xié)會的創(chuàng)始人、著名薄殼結(jié)構(gòu)專家 Torroja曾經(jīng)說過,*佳結(jié)構(gòu)有賴于其自身受力之形體,而非材料之潛在強度[2]。也就是說,采用高強度材料只是解決了問題的一個方面,還必須尋找形體合理的結(jié)構(gòu),使其能夠充分發(fā)揮材料的潛力。大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)正是此類結(jié)構(gòu),良好的受力性能使該結(jié)構(gòu)成為近年來*富有活力的結(jié)構(gòu)形式之一。 圖1.1為國內(nèi)外典型的大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)工程。大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)已經(jīng)對現(xiàn)代建筑產(chǎn)生了重大影響,并成為反映一個國家建筑科學技術(shù)水平的重要標志。 (a)中國國家體育場 (b)中國西安奧林匹克體育中心 (c)中國深圳世界大學生運動會體育中心 (d)巴西馬瑙斯亞馬遜競技場 (e)中國國家大劇院 (f)中國廣州國際會展中心 (g)阿爾及利亞阿爾及爾新機場航站樓 (h)阿聯(lián)酋阿布扎比機場航站樓 (i)中國西安東航維修基地新機庫 圖1.1 國內(nèi)外典型的大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)工程 1.1.2 大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的發(fā)展及趨勢 大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的發(fā)展與人類科學技術(shù)的進步密切相關(guān),與其他建筑結(jié)構(gòu)一樣,其發(fā)展也經(jīng)歷了一個漫長的過程。 事實上,人類很早就認識到穹隆能夠用*小的表面封閉*大的空間。我國東漢時期的地下磚砌墓穴和公元前1185年古希臘 Mycenae國王墓穴的磚砌穹隆都采用此種形式。然而,受當時材料及認知水平的限制,此類結(jié)構(gòu)的跨度一般較小,如古羅馬萬神殿43.5m的跨度紀錄保持到19世紀才被打破。近現(xiàn)代以來,空間建筑結(jié)構(gòu)理論研究的不斷深入和鋼材的投入應用,為大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1863年,德國人 Schwedle在柏林設(shè)計并建造了世界上**個鋼穹頂體系——施威德勒穹頂,該結(jié)構(gòu)體系可以看作是現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)中單層球面網(wǎng)殼的雛形,目前采用的許多網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是在此基礎(chǔ)上加以變化構(gòu)成的。 1964年,上海市建成了**個平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)——上海師范學院球類館(屋蓋平面尺寸為31.5m×40.5m),拉開了我國大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)發(fā)展的序幕。1968年建成的首都體育館首次采用斜放正交網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系,平面尺寸為99m×112m。1973年興建的上海體育館采用圓形平面的三向網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系,其焊接空心球網(wǎng)架凈尺寸達到了110m。1985年建成了深圳體育館,其90m×90m的鋼屋蓋也僅用了四根柱子進行支撐,由此,大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢開始顯現(xiàn)出來。20世紀80年代末,為了迎接第11屆亞運會的召開,北京市興建了一大批體育建筑,絕大部分建筑屋蓋采用了網(wǎng)架結(jié)構(gòu),對我國空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展進行了一次檢閱。其中,北京體育大學體育館和北京朝陽體育館首次采用了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),成功帶動了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的發(fā)展熱潮。此后一段時間內(nèi),很多重要的標志性大跨度建筑物幾乎都采用了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),設(shè)計與安裝技術(shù)獲得了極大的進步,比較有代表性的是1994年建造的天津體育館、攀枝花體育館及1996年建造的黑龍江速滑館等。 21世紀以來,隨著焊接技術(shù)的日益成熟,高強鋼材的出現(xiàn)及計算機仿真技術(shù)的突飛猛進,大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)穩(wěn)健發(fā)展,新的結(jié)構(gòu)形式層出不窮。2008年北京奧運會、2010年廣州亞運會、2011年深圳世界大學生運動會,以及2021年西安全運會、殘運會暨特奧會,為此建設(shè)的一系列體育場館有著豐富的空間結(jié)構(gòu)形式,為我國大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)發(fā)展提供了新的契機。此外,廣州白云機場、國家大劇院及廣州會展中心的建成開啟了大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系在民生領(lǐng)域的應用。 到目前為止,大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展經(jīng)歷了由傳統(tǒng)的梁肋體系、桁架結(jié)構(gòu)體系、薄殼空間結(jié)構(gòu)體系到現(xiàn)代的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)、雜交結(jié)構(gòu)及張拉集成結(jié)構(gòu)體系的過程。可以預見,大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系會繼續(xù)朝著更大、更復雜、更新穎的方向發(fā)展下去,其發(fā)展趨勢如下[3,4]。 1)跨度由大型向巨型發(fā)展 顧名思義,跨越超大空間是大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的顯著特點。科幻小說中經(jīng)常會看到這樣一種設(shè)想,人們可以在月球上自由舒適地生活,由于沒有氧氣,設(shè)想中往往存在一個很大的封閉空間結(jié)構(gòu),假設(shè)采用結(jié)構(gòu)體系完成,在現(xiàn)階段的建筑技術(shù)條件下是無法實現(xiàn)的。因此,一旦空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的跨度超越了傳統(tǒng)建筑,步入巨型結(jié)構(gòu)行列,則跨度和面積都會有新的突破,這種新的體系可以為人們提供清潔舒適的生活與工作環(huán)境。 2)由靜態(tài)結(jié)構(gòu)向動態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)展 人類對建筑結(jié)構(gòu)的使用要求是沒有止境的,投資者也往往希望使用功能能夠達到*大化。也就是說,所建成的建筑既是體育場,又可以是展覽館、音樂廳等,這就要求可以根據(jù)不同的需要對結(jié)構(gòu)進行相應的調(diào)整,從一個靜態(tài)結(jié)構(gòu)向動態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。例如,當天氣晴好時要求屋蓋可以打開,當遇到陰冷天氣時可以將屋蓋關(guān)閉,也可以通過調(diào)節(jié)地面標高滿足多功能的要求。 3)施工技術(shù)向精細化發(fā)展 大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展,必然給傳統(tǒng)施工技術(shù)和方法帶來巨大挑戰(zhàn)。一般情況下,會有多種施工方案供選擇,結(jié)合結(jié)構(gòu)自身特點確定*優(yōu)的施工方案非常關(guān)鍵。另外,鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加工和安裝精度也不能忽視,因此精細化的施工技術(shù)將是今后大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)發(fā)展和創(chuàng)新的重要基礎(chǔ)和保障。 4)由傳統(tǒng)材料向新型材料發(fā)展 隨著社會進步,材料成為促進大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)發(fā)展的重要因素。鋼材力學性能的優(yōu)化、新型材料的出現(xiàn)均可以使結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟高效,從而使大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)能夠廣泛應用。 5)施工過程由離散化向系統(tǒng)化發(fā)展 現(xiàn)階段大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的施工過程往往是針對特定工程制定具體施工方案,沒有形成系統(tǒng)化施工,這樣做造成的后果是輔助鋼材浪費較大,且方案確定時間較長。相信在未來大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的建造過程中,這一障礙將會有所突破,形成系統(tǒng)化的施工過程。 6)結(jié)構(gòu)設(shè)計向概念化發(fā)展 隨著對大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的深入研究,發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的找形分析與局部桿件強度穩(wěn)定分析同樣重要。找形分析是從結(jié)構(gòu)概念設(shè)計入手,可以有效提高結(jié)構(gòu)的整體性,增加抗倒塌能力。因此,在未來大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計中,像結(jié)構(gòu)找形分析這樣的概念設(shè)計將會是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要組成部分。 7)建造向國際化程度發(fā)展 現(xiàn)階段一些比較重要的大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu),從建筑方案設(shè)計到施工圖設(shè)計,再到實際施工,均采用國際競標的方式進行,而且往往在某幾個環(huán)節(jié)中需要多家單位之間共同合作完成。隨著大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)向著復雜化發(fā)展,這種國際化程度將會越來越高。 可見,大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在當今建筑界里扮演著舉足輕重的角色,并且隨著施工技術(shù)的進步、理論分析的完善、高強鋼材的興起,大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)將會展現(xiàn)出蓬勃的生機。 1.2 抗連續(xù)倒塌的研究意義 近年來,國家對大型公共建筑的安全管理力度逐漸加大。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部先后于2013年及2018年印發(fā)了《中國建筑技術(shù)政策(2013版)》《大型工程技術(shù)風險控制要點》等文件,明確提出要加強大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)防災設(shè)計的研究工作,要求設(shè)計時除滿足規(guī)范外,還需要考慮非預期荷載的影響,并保證結(jié)構(gòu)具有足夠的安全儲備。因此,大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的安全問題越來越受到重視,這是國家建設(shè)和社會發(fā)展的需要,也是保障人民群眾生命財產(chǎn)安全的有效途徑。 大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體量大、覆蓋范圍廣、使用人員密集,在非預期荷載作用時經(jīng)常發(fā)生局部破壞,隨著不平衡力下破壞的連續(xù)擴展,往往導致部分結(jié)構(gòu)或全部結(jié)構(gòu)倒塌,造成重大人員傷亡和經(jīng)濟損失。近二十年來,此類結(jié)構(gòu)在非預期荷載作用下的倒塌事故連年發(fā)生,如2003年土耳其東部某空間桁架屋面、2004年法國戴高樂國際機場2E航站樓[圖1.2(a)]、2005年中國內(nèi)蒙古新豐熱電廠屋蓋球型網(wǎng)架、2006年波蘭卡托維茨國際博覽會展廳[圖1.2(b)]和俄羅斯莫斯科鮑曼市場[圖1.2(c)]、2007年中國沈陽市第二中學體育館、2008年中國特大冰雪災害下蘇南地區(qū)眾多桁架和網(wǎng)架、2009年馬來西亞再納阿比丁體育場[圖1.2(d)]、2010年美國明尼蘇達州維京人隊體育場、中國鄂爾多斯那達慕大會主會場[圖1.2(e)]、2011年荷蘭特溫特體育場[圖1.2(f)]、2012年中國溫州任巖松中學體育館、2013年中國長春市第二實驗中學體育館、2014年巴西伊塔奎拉奧體育場[圖1.2(g)]、2015年中國江西科技師范大學體育館、2016年中國香港城市大學體育館、2017年捷克共和國體育場、2018年中國欽州市第三十九小學體育館和人民(武漢)國際汽車城大跨度展廳、2019年中國深圳市體育中心體育館[圖1.2(h)]、2020年俄羅斯圣彼得堡體育館[圖1.2(i)]、2021年中國青島西海岸新區(qū)中英生物藥物研發(fā)平臺建設(shè)項目分別發(fā)生不同程度的倒塌,造成了巨大的生命財產(chǎn)損失。雖然事故的直接誘因千差萬別(如雨雪超載、設(shè)計不足、質(zhì)量缺陷、施工不當?shù)龋歉驹蚴菦]能阻止初始破壞的連續(xù)性擴展[4]。 (a)法國戴高樂機場2E航站樓 (b)波蘭卡托維茨國際博覽會展廳 (c)俄羅斯莫斯科鮑曼市場 (d)馬來西亞再納阿比丁體育場 (e)中國鄂爾多斯那達慕大會主會場 (f)荷蘭特溫特體育場 (g)巴西伊塔奎拉奧體育場 (h)中國深圳市體育中心體育館
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