复杂条件下大跨度空间柱面网壳结构的抗震研究

论文摘要

大跨度网壳结构在国内外的应用越来越广泛，跨度越来越大，现在还有继续增大的趋势，而我国大部分地区又处于地震区，应该考虑地震动多点输入的影响，所以对其抗震性能进行深入细致的研究有着非常重要的理论意义和工程实用价值。本文采用有限元方法，对于网壳结构在地震动多点输入和一致输入下的动力反应进行了研究，本文主要的研究工作有以下几个方面内容： 1．采用大型通用有限元程序MSC.Marc和MSC.Nastran，对单层柱面网壳结构在水平简谐行波激励下的线弹性和弹塑性动力反应机理进行了研究，研究结果表明，行波输入对网壳结构的动力反应有很大影响，甚至会远远大于一致输入下的动力反应，所以对网壳结构考虑多点输入的影响是非常必要的。 2．为了进一步了解多点地震动输入对网壳结构地震反应的影响，本文同时考虑网壳结构的材料非线性和几何非线性，对单层及双层柱面网壳结构在水平地震动一致输入与多点输入下的反应进行了计算和对比分析，并讨论了不同视波速对网壳结构地震反应的影响。 3．为了考察竖向地震动对网壳结构地震反应的影响，本文对双层柱面网壳结构在竖向地震动一致输入与行波输入下进行对比分析，并与网壳结构在水平地震动作用的反应进行比较，得到了竖向行波效应对网壳结构地震反应的影响规律。 4．目前在柱支网壳地震反应分析中，为了简化计算，常把上部的网壳结构和下部的支承体系分开考虑，这与两者整体协同工作的实际情况会有一定的差别。本文为此对支柱子系统和双层柱面网壳结构整体建模，同时考虑柱和网壳结构的非线性特性，对在水平地震动的一致输入和行波输入下的动力反应进行分析，讨论了支柱子系统对网壳结构地震反应的影响，以及多点地震动输入的影响。 5．通过使用DMAP语言，对MSC.Nastran进行了二次开发，增加了土体等效线性化非线性动力分析功能。在此基础上，在基岩面上采用地震动的一致输入和行波输入，进行了考虑土—结构相互作用影响的双层柱面网壳结构非线性地震反应分析和比较，研究了在网壳结构地震反应中考虑土—结相互作用的必要性，以及不同视波速对网壳结构地震反应的影响。 6．在等效线性化的基础上，继续采用DMAP语言，进一步考虑土体中孔隙动水压力的影响，在MSC.Nastran中实现了分时段有效应力动力分析方法。用此方法分析了砂土液化对网壳结构地震反应的影响，并与前面用总应力法计算的结果进行对比，讨论了砂土液化对结构地震反应的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 网壳的抗震研究
• 1.2.2 地震动多点输入研究
• 1.2.3 土-结构相互作用研究
• 1.3 MSC系列大型通用有限元软件介绍
• 1.3.1 有限元方法和CAE技术
• 1.3.2 MSC.Nastran
• 1.3.3 MSC.Marc
• 1.3.4 MSC.Patran
• 1.4 本文的主要研究内容及工作
• 第2章 柱面网壳结构在水平简谐行波输入下的机理分析
• 2.1 柱面网壳结构的动力特性
• 2.1.1 模态分析
• 2.1.2 单层柱面网壳结构的动力特性
• 2.1.3 双层柱面网壳结构的动力特性
• 2.2 多点输入下的运动方程
• 2.3 MSC.Marc和MSC.Nastran程序多点输入功能的验证
• 2.3.1 MSC.Marc程序多点输入功能的验证
• 2.3.2 MSC.Nastran程序多点输入功能的验证
• 2.4 单层柱面网壳结构在水平简谐行波输入下的机理分析
• 2.4.1 线弹性分析
• 2.4.2 非线性分析
• 2.4.3 结论
• 2.5 本章小结
• 第3章 柱面网壳结构在水平行波输入下的地震反应分析
• 3.1 两边支承单层柱面网壳结构
• 3.1.1 计算模型
• 3.1.2 线弹性地震反应分析
• 3.1.3 非线性地震反应分析
• 3.1.4 结论
• 3.2 四边支承单层柱面网壳结构
• 3.2.1 线弹性地震反应分析
• 3.2.2 非线性地震反应分析
• 3.2.3 结论
• 3.3 双层柱面网壳结构
• 3.3.1 计算模型及基本假定
• 3.3.2 基岩波输入
• 3.3.3 El-Centro波输入
• 3.4 本章小结
• 第4章 柱面网壳结构在水平多点输入下的地震反应分析
• 4.1 多点输入地震波的合成
• 4.1.1 相关函数
• 4.1.2 互功率谱密度函数
• 4.1.3 地震位移波的生成
• 4.2 四边支承单层柱面网壳结构
• 4.2.1 模型参数及基本假定
• 4.2.2 只考虑行波效应
• 4.2.3 只考虑部分相关效应
• 4.2.4 同时考虑行波效应和部分相关效应
• 4.2.5 结论
• 4.3 两边支承单层柱面网壳结构
• 4.3.1 只考虑行波效应
• 4.3.2 只考虑部分相关效应
• 4.3.3 同时考虑行波效应和部分相关效应
• 4.3.4 结论
• 4.4 本章小结
• 第5章 柱面网壳结构在竖向行波输入下的地震反应分析
• 5.1 竖向一致输入与行波输入下地震反应的对比分析
• 5.1.1 基岩波输入
• 5.1.2 El-Centro波输入
• 5.2 竖向输入与水平输入下地震反应的对比分析
• 5.2.1 基岩波一致输入
• 5.2.2 基岩波行波输入
• 5.2.3 El-Centro波一致输入
• 5.2.4 El-Centro波行波输入
• 5.3 本章小结
• 第6章 柱支柱面网壳结构的地震反应分析
• 6.1 模型参数及基本假定
• 6.2 动力特性
• 6.3 多点输入与一致输入下的对比分析
• 6.4 多点输入下落地网壳与柱支网壳的对比分析
• 6.5 本章小结
• 第7章 考虑土—结构相互作用柱面网壳结构的地震反应分析
• 7.1 土—结构相互作用运动方程
• 7.2 土体无限边界的处理
• 7.3 等效线性化
• 7.3.1 等效线性化方法的发展和应用
• 7.3.2 等效线性化方法的实现
• 7.4 计算模型及基本假定
• 7.4.1 网壳
• 7.4.2 土层
• 7.4.3 地震波
• 7.5 考虑土—结构相互作用网壳在一致输入与行波输入下的对比分析
• 7.6 土—结构相互作用对双层柱面网壳地震反应的影响
• 7.6.1 一致地震动输入下的对比分析
• 7.6.2 视波速为500m／s时的对比分析
• 7.6.3 被波速为1000m／s时的对比分析
• 7.7 本章小结
• 第8章 砂土液化对柱面网壳结构地震反应的影响
• 8.1 有效应力动力分析法
• 8.1.1 振动过程中空隙水压力的增长模型
• 8.1.2 不排水有效应力分析法的计算步骤
• 8.2 不排水有效应力法的算例验证
• 8.3 砂土液化对网壳—土体相互作用体系地震反应的影响
• 8.4 本章小结
• 第9章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文