預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)的可靠度與倒塌分析

在大跨空間結(jié)構(gòu)中采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)是目前國內(nèi)外空間結(jié)構(gòu)的研究熱點。本項目對預(yù)應(yīng)力斜拉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、平面索拱結(jié)構(gòu)以及這兩類結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)的最優(yōu)可靠度進(jìn)行研究，解決不同失效模式下結(jié)構(gòu)的可靠度計算問題。通過理論分析、試驗研究、預(yù)應(yīng)力施工方法研究、試點工程等，提出并完善預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)合理的預(yù)應(yīng)力施工次序及分析方法。結(jié)合幾何非線性有限元的找形分析，對傳統(tǒng)的非線性分析工具做進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。結(jié)合桿系塑性鉸和分布塑性 2100433B

以張弦結(jié)構(gòu)、弦支穹頂結(jié)構(gòu)為代表的新型預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)體系具有受力合理、用鋼量省的特點，近10年來在我國重大工程中應(yīng)用較多。但由于這類結(jié)構(gòu)冗余度低，關(guān)鍵構(gòu)件的破壞可能會引起結(jié)構(gòu)的倒塌，因此對預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行抗倒塌的研究，是十分必要的。本項目研究這類結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌失效模式及地震作用下的倒塌破壞模式，給出構(gòu)件破壞與結(jié)構(gòu)倒塌的關(guān)系，揭示結(jié)構(gòu)參數(shù)對抗倒塌性能的影響；進(jìn)行預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)倒塌的試驗研究；對倒塌破壞過程進(jìn)行控制，提出實用的抗倒塌設(shè)計方法。本項目研究為提升新型大跨度空間結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力提供理論基礎(chǔ)，同時也為我國建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌規(guī)程的編制提供參考。

以張弦結(jié)構(gòu)、弦支穹頂結(jié)構(gòu)為代表的新型預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)體系具有受力合理、用鋼量省的特點，近10年來在我國重大工程中應(yīng)用較多。但由于這類結(jié)構(gòu)冗余度低，關(guān)鍵構(gòu)件的破壞可能會引起結(jié)構(gòu)的倒塌。本項目研究了這類結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌失效模式及地震作用下預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)及網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的倒塌破壞模式及抗倒塌設(shè)計，為提升新型大跨度空間結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力提供理論基礎(chǔ)，部分研究成果已列入我國《建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計規(guī)范》。 主要研究內(nèi)容及成果包括： 1）建立了合理的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)倒塌全過程的計算模型，對張弦結(jié)構(gòu)、弦支穹頂、索穹頂?shù)阮A(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動力連續(xù)倒塌仿真分析及參數(shù)研究，摸清了不同位置、不同類型構(gòu)件失效與整體結(jié)構(gòu)倒塌關(guān)系，揭示結(jié)構(gòu)參數(shù)對抗倒塌性能的影響，為工程設(shè)計人員利用拆除構(gòu)件法進(jìn)行預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)倒塌模擬分析及抗倒塌設(shè)計提供依據(jù)。 2）預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)體系多尺度數(shù)值模型方面，對索穹頂結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵節(jié)點采用實體建模，通過不同尺度模型的連接建立考慮節(jié)點的多尺度數(shù)值模型，結(jié)果表明了考慮節(jié)點對于倒塌模擬分析的必要性；為簡化計算，提出將全部節(jié)點等代替換成線單元建模方法，仿真分析證明了該方法的有效性。 3）提出了預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)的抗倒塌設(shè)計方法。包括基于 “分艙法”的弦支穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵桿件加強法，減小了結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌的可能性。 4）抗地震倒塌研究方面，基于OpenSEES軟件平臺，建立了單層球面網(wǎng)殼的纖維結(jié)構(gòu)模型,研究了其塑性發(fā)展過程及破壞類別；通過分析桿件纖維的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、內(nèi)力分布規(guī)律以及桿件的失效過程，揭示球面網(wǎng)殼倒塌機(jī)理；探討了地震作用下單層網(wǎng)殼矢跨比、屋面質(zhì)量以及跨度對結(jié)構(gòu)極限承載力的影響。 5）從考慮材料損傷累積效應(yīng)的角度出發(fā)，提出將B-R運動準(zhǔn)則和桿件塑性應(yīng)變能密度曲線結(jié)合起來，作為結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)；將損傷理論與能量分析方法相結(jié)合，提出以塑性損耗指標(biāo)為主的破壞準(zhǔn)則，以及結(jié)構(gòu)合理地震持時判斷方法；研究了考慮損傷積累效應(yīng)后對單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的靜、動力穩(wěn)定性能的影響，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。 6）從動能的角度研究單層球面網(wǎng)殼的動力失效，提出結(jié)構(gòu)動力失效判別準(zhǔn)則，仿真分析和單層球面網(wǎng)殼振動臺動力失效試驗，驗證了理論的正確性；設(shè)計了描述空間結(jié)構(gòu)強震倒塌全過程的測試方法，完成了單層球面網(wǎng)殼動力失效全過程試驗研究，得到球面網(wǎng)殼的失效模式，并為其他相關(guān)倒塌試驗研究提供了參考。 2100433B

根據(jù)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)和功能函數(shù)可得結(jié)構(gòu)的可靠度(即可靠概率)Pr 和失效概率Pf：

由概率論知：

R、S常用的概率分布有兩類：R、S均服從正態(tài)分布，兩者相互獨立；R、S均服從對數(shù)狀態(tài)分布，兩者相互獨立。則不同情況下的可靠度和失效概率分別為：

R、S均服從正態(tài)分布，兩者相互獨立

功能函數(shù)Z是R、S兩隨機(jī)變量組合成的新函數(shù)，兩隨機(jī)變量服從正態(tài)分布，則兩者之差組成的隨機(jī)變量也服從正態(tài)分布，所以R、S服從正態(tài)分布。

Z的概率密度函數(shù)、結(jié)構(gòu)可靠度、結(jié)構(gòu)失效概率的式子分別如下：