大跨度轮辐式张弦梁构件失效后力学行为研究_程东辉.pdf

收稿日期：2022-07-15基金项目：中央高校基本科研业务费创新团队与重大项目培育资金项目（2572016EBC1）作者简介：程东辉（1971-），男，教授，博士生导师，主要研究方向：预应力混凝土结构及混凝土结构加固改造。E-mail:第43卷 第1期2023年03月华南地震SOUTH CHINA JOURNAL OF SEISMOLOGYVol.43，NO.1Mar.，2023程东辉，刘文武.大跨度轮辐式张弦梁构件失效后力学行为研究J.华南地震，2023，43（1）：14-22.CHENG Donghui，LIU Wenwu.Study onMechanical Behavior of Long-span Spoke Beam String Components After Failure J.South China journal of seismology，2023，43（1）：14-22大跨度轮辐式张弦梁构件失效后力学行为研究程东辉，刘文武（东北林业大学土木工程学院，哈尔滨 150040）摘要：以具体案例为依托，对大跨度轮辐式张弦梁结构的构件重要性进行分析并排序，探讨不同因素对关键构件重要性的影响，基于显示动力积分法模拟关键构件瞬间失效后的结构响应，考察结构在关键构件意外失效时的力学行为。分析结果表明：内环下弦杆、拉索、支座及靠近支座处上弦梁段为关键构件；单独增大上弦截面刚度时，各关键构件重要性随之降低，单独增大垂度、初始预应力时，拉索及支座的重要性随之提高，其余关键构件重要性随之降低；拆除内环下弦杆后，结构缺乏有效的备用荷载路径，内力重分布代价较大，局部区域出现严重变形，其余关键构件失效后，环梁为主要备用荷载路径；各关键构件瞬间失效后结构动力效应明显且不相同，对于此类结构，在分析时应考虑构件失效前的初始状态。关键词：轮辐式张弦梁结构；构件重要性；内力重分布；动力效应中图分类号：TU352.11文献标识码：A文章编号：1001-8662（2023）01-0014-09DOI：10.13512/j.hndz.2023.01.02Study on Mechanical Behavior of Long-span Spoke BeamString Components After FailureCHENG Donghui，LIU Wenwu(School of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China)Abstract：Based on specific cases，the importance of components of long-span spoke beam string structure isanalyzed and ranked，and the influence of different factors on the importance of key components is discussed.Based on the explicit dynamic integration method，the structural response of key components after instantaneousfailure is simulated，and the mechanical behavior of the structure under the unexpected failure of key componentsis investigated.The results show that the lower chord of the inner ring，the cable，the support and the upper chordbeam near the support are the key components.When the stiffness of upper chord section is increased individually，the importance of each key component decreases.When the sag and initial prestress are increased separately，theimportance of cables and supports increases，and the importance of other key components decreases.After theremoval of the lower chords of the inner ring，the structure lacks an effective backup load path，the cost of internalforce redistribution is high，and severe deformation occurs in local areas.After the failure of other key components，the ring beam is the main backup load path.The structural dynamic effect of each key component is obvious and第1期程东辉等：大跨度轮辐式张弦梁构件失效后力学行为研究different after the instantaneous failure.For such a kind of structure，the initial state before the component failureshould be considered in the analysis.Keywords：Spoke beam string structures；Component importance；Redistribution of internal forces；Dynamiceffect0 引言大跨度张弦结构具有受力合理、施工方便等优点。然而此类结构覆盖范围大，多应用于人员密集的各类公共建筑中，一旦发生整体或局部倒塌，很可能造成重大的人员伤亡和财产损失。目前已有相关文献对局部损伤下张弦结构的力学行为及倒塌机理进行研究。武啸龙1采用试验与数值模拟相结合的方式研究了拉索破坏时大跨度张弦桁架结构的内力变化规律及结构失效机理。朱奕锋2等人以实际工程为案例，开展连续倒塌动力分析，探讨了纵向联系构件对空间张弦桁架抗连续倒塌性能的提升作用。蔡建国3等以新广州站索拱结构屋盖为研究对象，对比了单榀索拱结构各构件的重要性，连续倒塌分析结果表明，结构抗倒塌性能较好，该类结构在计算时应考虑移除关键构件前的初始状态。蔡建国等学者还在文献4中研究了撑杆失效单榀张弦结构的抗连续倒塌性能，结果表明索力在拆除撑杆后变化很小，但相邻撑杆因此增加的内力远大于50%。张微敬5等人研究后认为双向张弦梁结构可能因撑杆的破坏而发生连续倒塌，易因边索与角柱的失效而发生连续倒塌。唐恒6研究了张弦梁雨棚在列车撞击下的抗倒塌能力，结果表明在12根柱失效的情况下不会发生连续性倒塌，仅造成局部倒塌。殷志祥7等以双向张弦梁结构为研究对象，分析了各种因素对火灾下该类结构抗倒塌性能的影响，并以此为基础给出了提升抗倒塌性能的具体措施。蒋友宝8等针对传统张弦梁结构冗余度低、易发生连续倒塌的特点，提出了一种交叉撑杆构型的张弦梁结构体系，并开展了刚度、承载力和连续倒塌分析。王媛9等对空间张弦桁架结构在局部构件失效下的传力模式和倒塌机理进行了深入研究，并提出了抗倒塌性能加强措施，为张弦结构的抗倒塌设计提供了依据。上述研究成果均表明了张弦结构可能因重要构件的破坏而发生局部或整体倒塌。轮辐式张弦梁结构作为一种应用较广泛的大跨度张弦结构，国内相关研究却较少，因此本文基于备用荷载路径法（AP法）以具体案例为依托，对大跨度轮辐式张弦梁构件失效后的力学行为进行研究。1 分析对象及有限元模型文献10采用数值模拟的方式研究了各种参数对轮辐式张弦梁屋盖静力性能的影响，本文根据该文献设计算例结构并进行分析。算例结构水平投影面为圆形，直径为100 m，由32榀张弦梁辐射状均匀布置而成梁，矢高为6 m，垂度为4 m，以环梁连接各榀张弦梁，结构中心设置直径10 m的刚性内环，以避免构件过于密集，除内环竖杆外，其余撑杆与张弦梁上弦及拉索铰接且不发生相对滑动，支座采用可沿径向滑动的铰支座，各构件截面特性及材料见表1。构件上弦梁内环上弦、下弦内部环梁最外圈环梁撑杆（内环竖杆）拉索截面尺寸/mm箱形40016箱形5004002020箱形2506箱形50040020202036.55127材料Q345BQ345BQ345BQ345BQ345B1670级钢丝束表1 构件截面尺寸及材料Table 1 Section size and material of components1543卷华南地震Q345B钢材采用图1所示的双折线本构模型，弹性模量E=2.1105N/mm2，密度=7850 kg/m3，泊松比 0.3，屈服强度fy=345 MPa，材料失效应变为0.01，本构模型如图1所示：图1 钢材双折线本构模型Fig.1 Double broken line constitutive model of steel图1中y为钢材屈服应变，E、Et分别为弹性模量和钢材屈服后的切线模量。拉索采用线弹性本构模型并设置为只拉不压，弹性模量E=1.6105N/mm2，密度=7850 kg/m3，泊松比0.3，膨胀系数1.210-5，极限抗拉强度1670 MPa。图2为在ABAQUS中建立的屋盖有限元模型，在ABAQUS模型中，拉索单元类型选用桁架单元，其余构件单元类型选用梁单元。对支座施加边界约束条件，具体做法为释放各支座在单榀张弦梁平面内的转动自由度以及径向的平动自由度，限制其他方向自由度。设置各构件连接关系，除内环竖杆外所有撑杆上下铰接，其余各构件刚接。屋盖恒载0.5 kN/m2，屋面活载0.5 kN/m2，通过降温法施加拉索预应力，在结构仅受自重，不受外荷载的初始态下，拉索索力为 580 kN。分析时忽略轻质屋面的刚度、各连接节点重量以及下部结构的影响。图2 结构有限元模型Fig.2 Finite element model of structure2 构件重要性分析2.1 构件重要性排序若以节点位移作为构件拆除时的结构响应，则单根构件拆除后，各节点位移响应的平均值可以反映结构对该构件失效的敏感程度，进而反映该构件对于结构的重要程度。因此为衡量构件的重要性，定义构件的重要性系数j为：j=i=1n|Sijx|+|Sijy|+|Sijz|3n（1）式（1）中，n为节点数目，Sijx、Sijy、Sijz分别表示节点i对应于构件j移除的三个平动方向位移变化值。计算范围仅取距离失效构件最近的一榀张弦梁，这是由于大跨空间结构构件众多，覆盖面积大，整体性较好，单个构件失效后，一般只对局部区域有较大影响，若构件重要性系数j取整个结构所有节点的位移响应进行计算，不仅工作量巨大，还会使局部区域较大的位移响应被平均以致j过小，难以判断关键构件以及直观反映构件失效对局部区域的影响。结构为对称结构，因此拆除任意一榀张弦梁的构件都会得到相同的分析结果，为便于分析，选取最易操作的一榀张弦梁进行构件拆除并将其编号为第1榀。对单榀张弦梁构件及节点按图3方式进行编号，其中ZZ1表示张弦梁支座。将逆时针方向上与第1榀平面张弦梁相连的一根内环下弦杆和内环上弦杆编号为NHXX1、NHSX1。表2列出了标准荷载下以线性静力分析方法得到的构件重要性系数，计算时位移单位取毫米。由表2可知，内环下弦杆重要性系数远高于其他构件，这是由于该构件发生破坏后结构缺少有效的备用荷载路径，处于不利受力状态，部分节点产生了