預應力空間結構體系的倒塌機理及抗倒塌設計研究項目摘要

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

以張弦結構、弦支穹頂結構為代表的新型預應力空間結構體系具有受力合理、用鋼量省的特點，近10年來在我國重大工程中應用較多。但由于這類結構冗余度低，關鍵構件的破壞可能會引起結構的倒塌。本項目研究了這類結構連續(xù)倒塌失效模式及地震作用下預應力空間結構及網(wǎng)殼結構的倒塌破壞模式及抗倒塌設計，為提升新型大跨度空間結構的抗倒塌能力提供理論基礎，部分研究成果已列入我國《建筑結構抗倒塌設計規(guī)范》。 主要研究內容及成果包括： 1）建立了合理的構件和結構倒塌全過程的計算模型，對張弦結構、弦支穹頂、索穹頂?shù)阮A應力空間結構進行了動力連續(xù)倒塌仿真分析及參數(shù)研究，摸清了不同位置、不同類型構件失效與整體結構倒塌關系，揭示結構參數(shù)對抗倒塌性能的影響，為工程設計人員利用拆除構件法進行預應力空間結構倒塌模擬分析及抗倒塌設計提供依據(jù)。 2）預應力空間結構體系多尺度數(shù)值模型方面，對索穹頂結構中的關鍵節(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）提出了預應力空間結構的抗倒塌設計方法。包括基于 “分艙法”的弦支穹頂結構設計，以及預應力空間結構的關鍵桿件加強法，減小了結構發(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)殼的纖維結構模型,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力應變關系、內力分布規(guī)律以及桿件的失效過程，揭示球面網(wǎng)殼倒塌機理；探討了地震作用下單層網(wǎng)殼矢跨比、屋面質量以及跨度對結構極限承載力的影響。 5）從考慮材料損傷累積效應的角度出發(fā)，提出將B-R運動準則和桿件塑性應變能密度曲線結合起來，作為結構動力失穩(wěn)的判斷標準；將損傷理論與能量分析方法相結合，提出以塑性損耗指標為主的破壞準則，以及結構合理地震持時判斷方法；研究了考慮損傷積累效應后對單層網(wǎng)殼結構的靜、動力穩(wěn)定性能的影響，為結構設計提供依據(jù)。 6）從動能的角度研究單層球面網(wǎng)殼的動力失效，提出結構動力失效判別準則，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；設計了描述空間結構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，并為其他相關倒塌試驗研究提供了參考。 2100433B

本項目是將核磁共振與基因工程相結合，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象與酶活性的關系。具體實驗是由基因工程技術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方法分別定量和定性地研究多肽片段的溶液構象，并檢測特定肽段的酶學性質。研究指出，長度為28、36、52、79和121氨基酸的片段都含有β轉角構象，隨著肽鏈的延伸，后續(xù)肽段對原有肽段的構象進行調整，在121片段中已觀察到類天然態(tài)的疏水β片層。同時，酶活力也不斷增加，對121和135等特定片段進一步的研究延揭示，當N末端肽段達到特定長度時，肽段的構象呈現(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

高墩橋梁結構近年來在地震災害頻繁的我國西部多山谷地區(qū)得到了廣泛的應用，開展地震作用下高墩橋梁的抗倒塌性能研究是一項重要的科學與工程任務。地震作用下橋梁墩柱在變形過程中剛度、強度會隨著損傷積累而出現(xiàn)退化特性，嚴重影響墩柱的抗倒塌能力。將鋼筋后期強度退化引入到墩柱的退化特性中，是橋梁結構抗倒塌能力評估的關鍵工作。本項目將研究考慮縱向鋼筋屈曲的高墩橋梁地震災變數(shù)值模擬及倒塌機理。采用矩形薄壁空心墩柱擬靜力倒塌試驗研究，建立考慮縱筋屈曲的精細有限元模型并進行參數(shù)分析，提出考慮受壓屈曲的鋼筋應力應變模型；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；進而結合試驗研究和數(shù)值模擬探明墩柱倒塌破壞機理，提出高墩橋梁倒塌破壞判別準則；在此基礎上研究P-Δ效應、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變倒塌機理。預期成果能為相關重大工程的建設提供科學支撐。