預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)體系的倒塌機(jī)理及抗倒塌設(shè)計(jì)研究結(jié)題摘要

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(diǎn)，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(xiàng)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(jì)，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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(diǎn)采用實(shí)體建模，通過不同尺度模型的連接建立考慮節(jié)點(diǎn)的多尺度數(shù)值模型，結(jié)果表明了考慮節(jié)點(diǎn)對于倒塌模擬分析的必要性；為簡化計(jì)算，提出將全部節(jié)點(diǎn)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(jì)方法。包括基于 “分艙法”的弦支穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵桿件加強(qiáng)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(yùn)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(shí)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(jì)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(yàn)，驗(yàn)證了理論的正確性；設(shè)計(jì)了描述空間結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(yàn)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(yàn)研究提供了參考。 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(diǎn)，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(xiàng)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(yàn)研究；對倒塌破壞過程進(jìn)行控制，提出實(shí)用的抗倒塌設(shè)計(jì)方法。本項(xiàng)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(shí)也為我國建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌規(guī)程的編制提供參考。

本項(xiàng)目是將核磁共振與基因工程相結(jié)合，以金葡核酸酶N末端片段為模型，研究不同長度酶蛋白多肽片段的溶液構(gòu)象與酶活性的關(guān)系。具體實(shí)驗(yàn)是由基因工程技術(shù)獲得核酸酶的不同多肽片段，通過多維核磁共振以及光譜技術(shù)方法分別定量和定性地研究多肽片段的溶液構(gòu)象，并檢測特定肽段的酶學(xué)性質(zhì)。研究指出，長度為28、36、52、79和121氨基酸的片段都含有β轉(zhuǎn)角構(gòu)象，隨著肽鏈的延伸，后續(xù)肽段對原有肽段的構(gòu)象進(jìn)行調(diào)整，在121片段中已觀察到類天然態(tài)的疏水β片層。同時(shí)，酶活力也不斷增加，對121和135等特定片段進(jìn)一步的研究延揭示，當(dāng)N末端肽段達(dá)到特定長度時(shí)，肽段的構(gòu)象呈現(xiàn)出典型的融球態(tài)特征，并且，在融球態(tài)與天然態(tài)之間存在著另一類中間態(tài)象。 2100433B

高墩橋梁結(jié)構(gòu)近年來在地震災(zāi)害頻繁的我國西部多山谷地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，開展地震作用下高墩橋梁的抗倒塌性能研究是一項(xiàng)重要的科學(xué)與工程任務(wù)。地震作用下橋梁墩柱在變形過程中剛度、強(qiáng)度會隨著損傷積累而出現(xiàn)退化特性，嚴(yán)重影響墩柱的抗倒塌能力。將鋼筋后期強(qiáng)度退化引入到墩柱的退化特性中，是橋梁結(jié)構(gòu)抗倒塌能力評估的關(guān)鍵工作。本項(xiàng)目將研究考慮縱向鋼筋屈曲的高墩橋梁地震災(zāi)變數(shù)值模擬及倒塌機(jī)理。采用矩形薄壁空心墩柱擬靜力倒塌試驗(yàn)研究，建立考慮縱筋屈曲的精細(xì)有限元模型并進(jìn)行參數(shù)分析，提出考慮受壓屈曲的鋼筋應(yīng)力應(yīng)變模型；基于該模型建立模擬高墩墩柱縱向鋼筋受壓屈曲破壞的有限元模型；進(jìn)而結(jié)合試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬探明墩柱倒塌破壞機(jī)理，提出高墩橋梁倒塌破壞判別準(zhǔn)則；在此基礎(chǔ)上研究P-Δ效應(yīng)、墩高、地震動輸入方向等因素對高墩橋梁抗地震倒塌能力的影響，從而揭示高墩橋梁地震災(zāi)變倒塌機(jī)理。預(yù)期成果能為相關(guān)重大工程的建設(shè)提供科學(xué)支撐。