轮辐式索膜结构连续倒塌性能分析

2019-10-09 13:32 admin

工程结构正常使用情况下因爆炸、冲击等意外事件造成局部发生初始破坏,继而引起周围构件连锁性破坏,最终导致整个结构倒塌或形成与初始局部破坏不成比例的大范围瘫塌,如1968年英国Ronan Point公寓楼倒塌; 美国1995年Alfred P. Murrah联邦政府大楼爆炸倒塌及2001年世贸中心双子大厦倒塌,引起土木工程界对连续倒塌研究的热点[1,2,3]。国外的研究已取得丰富成果,并编制出相关分析、设计规范[4,5,6],而我国对此方面研究尚处起步阶段。空间结构连续倒塌研究多集中于网架、桁架。已有研究者针对不同类型的偶然事件,给出网架结构的拉结强度法、拆除构件法、 关键杆件法及概念设计措施[7,8],并对索穹顶结构体系、索拱结构体系等进行抗倒塌研究,分析部分索退出工作后的结构受力性能,并给出设计建议[9,10],但对索膜结构倒塌研究甚少[11]

本文以佛山世纪莲体育中心轮辐式索膜结构为例,通过缩尺模型试验及ANSYS有限元分析考察轮辐式索膜局部索破坏对结构整体受力性能影响及抗连续倒塌能力,旨为该类结构抗倒塌设计提供参考。

1倒塌性能模型试验

1. 1定性模型制作

世纪莲体育中心跨度310 m,建筑面积123 125 m2。受试验条件限制,很难开展屋盖结构的比例模型试验。为较好模拟实际结构特征及受力情况,突出对主要问题研究,模型按1∶ 60制作,忽略安装索耳板节点等细部构件,忽略悬挂索、膜等设置,系统研究整体上对结构受力反应规律。模型见图1,主要由上压环、 下压环、腹杆、内环索、脊索、谷索及支柱等组成,各类杆件按。
 

脊索、谷索应力时程曲线及最终状态下应力分布曲线( 由直接所测应变乘以每根索弹性模量转换获得) 见图4。结构在脊索断裂最初0. 45 s内索系内力发生振荡,并逐渐恢复平静,内力重分布完成。由于施加荷载仅为使用荷载,模型索系应力未达其极限强度发生进一步破坏; 脊索断裂后其余脊索应力均降低,平均应力由204 MPa下降为158 MPa,降幅22. 5% ; 谷索除紧邻断裂脊索的两根应力增大外其余均降低,平均应力由123 MPa下降为97 MPa,降幅21. 1% 。

剪断1号谷索测试结构的动力反应。最终结构形态与图3类似,索系在极短时间内发生振动,但未完全坍塌,在断索一侧向上发生变形,内环索向中间回缩并被拉紧。内环索最大位移位于谷索断裂处,竖向下降11 mm,径向收缩14 mm。所测脊索、谷索应力时程曲线及应力分布曲线见图5。由图5知,结构在谷索断裂最初0. 40 s内索系内力发生振荡,此后逐渐恢复平静, 内力重分布完成,索系应力未达其极限强度发生进一步破坏。谷索断裂后,除与断裂索紧邻的两根脊索外其余脊索应力均降低,平均应力由204 MPa下降为191 MPa,降幅6. 4% ; 而谷索则由紧邻断裂索应力增大向两侧应力减小,平均应力由123 MPa下降为121 MPa, 降幅仅1. 6% 。