单层柱面网壳在强震下的破坏机理研究
地震作用下网壳结构稳定性分析
地震作用下网壳结构稳定性分析
地震是一种强烈的地质现象，它给建筑物破坏造成严重影响。
因此，在设计网壳结构的时候，稳定性分析是一项重要而必不可少的工作，考虑到地震作用可能对网壳结构的损伤。
网壳结构作为一种新型结构体系，该体系由一系列外形复杂、空间自由度高的单元串联而成。
这种结构是由穿孔板按既定的节点规范组装而成，表面薄板的体积份额较大，穿孔的形状规整，并使用钢筋连接，利用连接效应形成立体位置关系，通过多重依靠实现穿孔板的抗压、抗弯及抗扭效应。
同时，网壳结构的立体复杂程度也给它带来了良好的抗震能力。
在地震作用下，网壳结构的特点也带来良好的抗震性能。
根据相关技术规范，在弹性设计中视网壳结构非线性反应，考虑内力和外力效应及各种构件的耗能释放效应，对这种结构系统进行稳定性分析，裂缝和滑动破坏是在抗震设计中常见的危害因素。
网壳结构的穿孔板也具有较优的抗震性能。
一般情况下，当穿孔板处于比较大的挠度或力的作用下时，由于穿孔铰链的钢斜拉力和相邻板块间的摩擦力，穿孔板的箱口处可能出现断裂或局部折叠。
此外，穿孔板的结构和表面处理有不同的表现：增加结构复杂性，可以提高抗震性能，延缓破坏时间。
同时表面处理可以有效提高穿孔板的物理机械性能，从而提高其韧性，充分释放地震作用造成的损伤。
大规模静力试验和模型试验证明，穿孔板的振动阻尼特性显著改善，这也使得网壳结构在受地震作用时的稳定性由原来的线性变为非线性，从而获得了较优的抗震性能。
基于纤维模型的单层球面网壳抗震倒塌反应分析
及地震输入参数参见文献［１］ 。
峰值加速度 － 结构最大节点位移曲线如图 ５ａ 所示，
结构临近倒塌的最大地震峰值加速度为 ６５０ ｃｍ ／ ｓ 。
２
本文采用 纤 维 模 型 模 拟 杆 件， 得 到 地 震 峰 值 加 速
度 － 结构最大节点位移曲线如图 ５ｂ 所示，当地震峰
值加速度达到 １２５ ｃｍ ／ ｓ２ 时，结构发生了整体失稳
［ Ｂ］ ＝ ［ － ｙ，ｘ，１］
（２）
式中：［ Ｂ］ 为纤维的坐标向量。
纤维的轴向应力为：
σ（ ｘ，ｙ，ｚ） ＝ Ｅ Ｔ （ ｘ，ｙ，ｚ） ε（ ｘ，ｙ，ｚ）
图 ２ 悬臂杆模型
（３）
式中： Ｅ Ｔ （ ｘ，ｙ，ｚ） 为 坐 标 （ ｘ，ｙ，ｚ） 处 纤 维 的 切 线
模量。
沿截面积分可得到力向量为：
ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｉｔｈ ｏｔｈｅｒｓ ｂｙ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｏｔｈｅｒ ｋｉｎｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ， ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ ｍｏｄｅｌ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ
ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｏｒｄｅｒ ｅｆｆｅｃｔ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｐａｔｈ ｏｆ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｍｂｅｒｓ ｗｅｒｅ ｖｅｒｉｆｉｅｄ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ
［ Ｋ ｓｅｃ ］ ＝
∫ ［ Ｂ］ Ｅ （ ｘ，ｙ，ｚ） ［ Ｂ］ ｄｘｄｙ
Ｔ
Ａ
Ｔ
图 ３ 钢材应力 － 应变关系曲线
（５）
将［ Ｋ ｓｅｃ ］ 在单元长度范围内集成单元整体刚度
矩阵：
２ ２ 精度验证
［ Ｋ］ ＝
单层柱面铝合金网壳结构强震失效机理及易损性研究
单层柱面铝合金网壳结构强震失效机理及易损性研究随着建筑结构设计的不断发展和进步，针对地震的设计要求得到了焕然一新的进展，如今，地震设计加入了新的要素，如考虑隔震、减震和加强某些构件等，但是在发生地震灾害时，建筑结构在长期的使用过程中难免会出现变化。
本论文将试图探讨单层柱面铝合金网壳的结构强震失效机理及易损性问题。
一、铝合金网壳的结构原理铝合金网壳的结构原理是一种基于薄壳理论和拱理论所建立的模型，该模型的特点是单层网状薄壳板形成的凹显拱壳体，密度小、坚固耐用、具有轻质、高强、可塑性好、耐腐蚀等优点，因此被广泛用于建筑领域。
二、单层柱面铝合金网壳的研究现状随着对单层柱面铝合金网壳的应用越来越广泛，对其结构的研究也越加深入。
在之前的研究中，单层柱面铝合金网壳的失效模式和失效机理已经得到了一定程度的研究。
据研究表明，单层柱面铝合金网壳在发生地震时，其容易发生弹性稳定性失效、破坏部位的屈曲和扭转变形、拱肋和网壳的纵向位移等破坏模式。
同时，板的灵活性和支撑条件的变化也会对其破坏过程的形成起到重要的作用。
三、单层柱面铝合金网壳的易损性单层柱面铝合金网壳由于其运用材料的特殊性质，其结构上的易损性也具有一定的难度。
在其失效模式和失效机理研究的过程中，研究人员还发现了一些影响网壳易损性的原因，如弯曲强对应的大度数、铝合金网壳前倾和横向负偏差、墙底残余形变等因素。
四、对单层柱面铝合金网壳的加固与改进针对单层柱面铝合金网壳的现有问题，进行加固与改进可以有效提升其结构的抗震性。
具体来说，可以进行以下方面的优化：1、提高板的剪切强度，使其进一步增强其弹性稳定性和破坏时的承载能力。
2、调整拱肋的刚度和位置，以增强其受力性能。
3、增加板与拱肋的间隔数，减轻板的支撑条件，降低板件的纵向位移等。
五、总结本论文针对单层柱面铝合金网壳的结构强震失效机理及易损性进行了初步分析。
在建筑设计和施工中，应对其结构进行更加全面和深入的阐述，并基于现有问题加以修正和改进，以提升其抗震性能，并实现其在地震中的稳定运行。
单层柱壳结构在爆炸荷载作用下的破坏模式和防护措施
单层柱壳结构在爆炸荷载作用下的破坏模式和防护措施大空间钢结构具有造型美观和适应性强等优点，广泛应用于大型公共建筑物中。
但是该类建筑由于人员活动密集、标志性强，往往成为恐怖分子的袭击目标，造成重大的人员财产损失和恶劣的社会影响。
迄今为止，我国尚没有针对大跨空间钢结构如何进行抗爆设计的专门准则，尤其在大跨空间钢结构内爆炸破坏效应方面更加少见。
在内爆炸荷载作用下，结构除受到爆炸冲击波直接作用外，还受到地面和墙面等围护结构的反射冲击波及冲击波聚集效应作用，较外爆炸荷载作用下更加复杂。
本文结合日趋严重的反恐形势，选取一种较为常见的单层柱面网壳结构形式，对其在内爆炸荷载作用下的破坏模式和防护措施进行研究，主要研究方法和过程如下：（1）应用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对一个自由空爆模型进行了数值模拟实验，并将计算结果与经验公式计算结果相比较，证明材料参数选取的可靠性，为结构的内爆炸数值模拟提供可靠依据。
（2）采用验证后的材料参数，对一个单层柱面网壳结构进行了内爆炸数值模拟，试验现象和计算结果表明了模型建立及有关材料参数选取的可靠性。
（3）改变炸药的TNT当量、结构柱子的高度、结构的矢跨比、炸药爆炸点的位置、结构材料的失效应变等参数，研究了在不同情况下结构的破坏模式。
（4）结合贵州省福泉市马场坪收费站爆炸事件及第四章各种参数对结构破坏模式的影响，提出强结构弱围护的泄爆思路，建立模型进行验证，并将模拟结果与第四章不同情况下的模拟结果进行对比。
通过以上的模拟分析，得到如下结论：（1）随着炸药TNT当量的增加，结构破坏程度加剧；（2）降低结构的柱子高度有利于提高结构的抗爆承载能力；（3）结构矢跨比增大，结构位移响应增加，破坏范围增大；（4）炸药爆炸点位置越远离结构中心，破坏越严重，越不利抗爆；（5）提高结构材料的失效应变有利于提高结构的抗爆承载能力。
（6）加强主体结构，减弱围护结构有利于结构泄爆，是一种行之有效的抗爆防护措施。
网壳结构高烈度强震下的动力强度破坏研究
当 输人加速度幅值增加到５０ ｌ ０蒯 时， 和图７ ０ｇ 和６０ ａ 图６ 给中明显看出结构塑性的 发展， 杆件进人塑性 的 数量分别达到 １和３ 根， ３ ５ 进人塑性杆件的相对塑性应变值继续增加， Ｕ为分别为一 ． 和一 ． ， ５６ ６ ６ ６网壳 ９ 中 具有最大相对塑性应变的杆件仍为 杆件 １ ， 但最大位移节点的位置发生了 改变， 从节点 ａ 变化到节点 ｂｂ ，
的 也较多， 加 这与 速度幅值为５ ｇ 和６０ ｌ 情况相似。 ０ ａ ０ｇ 时的 ０ｌ ａ 当 值 加速度幅 继续增加到９ ｇ 时， ０ ａ 从图９ ０ｌ 中可以 看出， 位移节 位置 最大 点的 未发生改 仍为节 ， 变， 点ｃ
但具有最大相对应变的杆件位置又发生改变， 从杆件２ 变为杆件３此时节点。 ， 为杆件３ 的端节 杆件３ 点， 最 大相对塑性应变 认值达到一３０。网壳中 ２． ６ 进人塑性的杆件数量达到 １ 根， 杆件总数的４％， ９ 占 ６ ８ 接近一半 的杆件进人塑性。 此时结构的 整体位移延性和杆件变形延性基本耗尽， 结构从而失去 继续承载的能力。 为了更直观的 描述网壳结构随加速度幅值增加而发生的塑性发展， ０ 采用直观的 图１ 中 方式表达杆件进 人塑性的位置及塑 性发展的程度， 进人塑 性的杆件以圆 标记出， 该圆的直径大小代表了 杆件的相对塑性应变
随 输 地 波幅 从３ 酬 始 ０ ａ 止， 中Ｋ球壳的 点 震 值 ８ 开 到９ ｇ 为 图３ ８ 着 人 ０ ０ｌ 节 位移幅 也逐 增加。 Ｉ 值 步 图Ｉ
是网壳最大节点位移一 加速度幅 值响应曲 从图中可以看出不同加速度幅值时对应的网壳节点最大位移 线，
幅 加 值， 速度幅 值在３ 咧 到８ ｇ 在之间变化时， ８ ０ ０ａ ０ｌ 最大节 点位移大体呈线性变化， 但加速度幅值在８ １ ， ｇ ０ 时， 发生剧烈变化， ０咧 到９ 咧 之间， 从８ ０ ０ ０ 最大节点位移急剧增加。 很明显８ 蒯 是位移发生剧烈的转折 ０ ０
单层球面网壳强震失效分析中考虑节点刚度影响的简化模型研究
单层球面网壳强震失效分析中考虑节点刚度影响的简化模型研究随着我国经济的快速发展，高层建筑、大型体育场馆、桥梁、隧道等工程项目逐渐增多。
随之而来的是对结构安全性和抗震性能的更高要求。
其中，球面网壳结构具有较高的使用价值和美学价值，但在强震作用下易发生失效，对人员和财产的安全造成极大威胁。
传统球面网壳的结构分析方法忽略了节点刚度对整个结构的影响，导致在强震作用下失效预测结果偏差较大。
因此，结合球面网壳结构特性和失效机理，引入节点刚度因素，探究其对结构强震失效的影响，对球面网壳结构的抗震设计具有重要的理论和实践意义。
目前，对于单层球面网壳的强震失效分析，学术界已经提出了多种模型。
经过研究，笔者认为在考虑节点刚度影响的前提下，可以采用简化模型对单层球面网壳的强震失效进行分析和研究。
其具体步骤如下：首先，采用有限元方法对单层球面网壳进行建模，将节点约束刚度与单元刚度进行耦合。
其次，在结构受强震作用时，计算节点的相对位移，同时考虑节点的刚度和变形特性。
然后，根据节点的相对位移以及约束刚度和单元刚度的耦合关系，进一步计算节点和单元在强震作用下的变形和应力状态。
最后，根据节点和单元的变形和应力状态，预测结构的失效情况。
以上模型的关键在于节点刚度影响的考虑。
因此，在计算节点位移和相对位移时，需要将节点的约束刚度和变形特性纳入考虑。
此外，还需要对节点固有频率和节点模态振动形态进行分析和研究。
通过对节点的分析和研究，可以得出单层球面网壳结构失效的主要影响因素，为球面网壳结构的抗震设计提供参考依据。
综上所述，单层球面网壳强震失效分析中考虑节点刚度影响的简化模型是一种比较新颖的研究方向。
该模型结合了球面网壳结构特性和失效机理，引入节点刚度因素，对结构强震失效进行分析和研究，为球面网壳结构的抗震设计提供了新的研究方向和思路。
在未来的研究中，应加强模型的验证和实验研究，提高模型的可靠性和适用性，为球面网壳结构的工程应用提供更为可靠的支撑。
柱面网壳在地震作用下的失效机理研究
表现 在反隐身 目标上 ．雷 达组网技术是 一种反 隐身 日标 的可行措 旌 。隐身 目标并非在所有角度和所有频率上都具有 同样的隐身效果 ， 仍 然会给雷达探测留有“ 空间窗 口” 频 率窗 口” 利用 多频段组 网和先进 和“ 。 的数据 融合技术 ． 可以削弱微波波段 隐身涂层 的隐身作用 ， 既 又可以从 不 同频道从多个方向上照射 目 ， 标 使处于网络范 围内的隐身 日标至少可 被一部雷达探测到。因此 ． 网的涌现性也注定雷达 网将 成为反隐身 目 组
组网雷达可发现更 多 日标 ， 对某些 目标 发现次数 增多 ， 并且 对这些 日标 测定得更准确。
隐身 目 ， 标 实现反隐 身的 目的。本文在此基础上 提出了有关组网优 化布 站 的几点看法 ． 并不是很完善 。 网和反隐 身都是 近几年提 的新课题 。 组 有待更多 的人加人进来深人探索 。
用 Ｑ２ ５钢 ， ３ 本构关 系假定 为 塑性 随 动 Ｐａｔ ｉｅ ｔ ｌ ｉ Ｋｎｍａｉ 型 ， 度为 ｓ ｃ ｃ模 密 ７８ ０ｋ／３弹性模量为 ２ ６Ｇ ａ泊松 比为 ０ ． ５ ｇｍ 。 ０ Ｐ． ． 屈服强度为 ２ ５ＭＰ ， ３ ３ ａ 切线
２ ｘ ０ ４ ２ ｅ ｒ ｍ跨度的单层 圆柱 面网壳为研究对象 。采川通川 有限元分析软
ｌ． ３
４ 结语
随着现代高科 技的不断发展 。 各种先进 电磁技术 ． 产品层 Ｉ不 电磁 【 ｜
穷 ， 战争将是争夺 电磁空 间的时代。为了充分发挥现有雷达 装备的 未来 性能 ， 更好地完 成空中 目标搜索 、 跟踪 、 测量 ． 进一步 减少 虚警概 率和漏 警概率 ， 就必须 立足于现有雷达 的装备 ， 以先进的现代信 号处理技术 和 先进的信息融合技术为基础进行雷达组 网。 也正是 雷达 组网可以利用 隐 身 目 的前 向、 标 侧向 、 上下反射的隐身缺 口， 探测 低空飞行 日标及其他 来
强震作用下单层球面网壳的动力性能分析
幅， 最大水平加速 度峰 值为 ４ ０ ０ Ｇ ａ ｌ 。持 时为 １ ０ ｓ ， 时 间间 隔
为０ ． ０ ２ ｓ 。分 析时考 虑结 构 的几 何 非线性 与 材料非 线 性 的
影 响， 钢材本构采用理想弹塑性本 构模型 ， 阻尼 采用瑞 雷阻 尼， 选取 钢材 阻尼 比为 ０ ． ０ ２ ， 对应 Ｏ ｔ 、 ／ ３分 别 取 ０ ． ３ ０ ６ ９
和 ０ ． ０ ０ １ ３ 。
环 竖向地震 一１ ２ ８ ． ０ ０—１ １ １ ． ２ １ —１ ０ ０ ． ６ ６— ９ ２ ． １ ３— ７ ４ ． ５ ０ 一
１ 研究对象与方法
（ １ ） 结构概况 。文中研究对象 取跨度 为 ４ ０ ｍ， 频 数
Ｎ Ｆ为 ６ ， 矢跨 比∥己为 １ ／ ５的 Ｋ ８ 型单层凯威特球 面网壳 ， 节 点采用加肋 焊接 空心球 节点 。主肋杆 、 环 杆及 斜杆 均采 用 截面为 ｄ ￣ １ ０ ２ Ｘ ３的 圆钢 管 ， 钢 材为 Ｑ ２ ３ ５钢 ， 屈 服强 度 为
刘碧文等 ： 强震作用下单层球面 网壳的动力性能分析
４ ９
强震 作 用 下 单 层 球 面 网壳 的 动 力 性 能分 析
刘碧 文 ， 孙 健
３ ０ ０ ０ ７ ２ ） （ 天津大学建筑工 程学院 。 天津
【 摘 要】 利用通用有限元软件 Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ ， 考虑几何非线性、 材料非线性等因素的影响， 对Ｋ ８型单层球面网
总体呈 现跨度越来越 大 ， 厚 度越来越 薄的趋势 。此外 ， 以往
单层网壳动力特性和地震响应分析
地面运动而使结构 产生 剧烈 的振 动产 生地 震 内力 和位 移 ， 可能会造成结构 整体 失稳 或倒塌 。网壳结 构 的抗震 性能研
究在工程 中有很重要 的意义。 １ 结构体系地震响应 的数值 方法
（ １ ） 网壳结构 模态 分析 数值方 法。结构 模态 分析是 分析 自由振动情况下 ， 结构 的动力 特性 ， 如周期 、 频率 、 振型
为大型空间结构 ， 受到强烈地震 作用 时 ， 会 由于很大 幅度的
【 文章编号】 １ ０ ０ １ — ６ ８ ６ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ 一 ｏ ｏ ６ ４ — ０ ２
方法得到 广义 的位移 响应 ， 此位 移响应 对单 自由度体 系在 地震 波作 用下各 振 型的位 移响应 ， 最后 各振 型 的振 型 向量 累加 可以得到结构 的时程分析结果。 ２ 用有限元软件进行算例分析
的基本 问题如下公式（ ４ ）所示 ：
较高。第五 、 六 阶振型的振型形式 为网壳弯 曲振动 ， 变形 曲
线严格对称 ， 第七 、 八阶是逆时针扭 曲， 第九、 十 阶振型 曲面 比较复杂 。以上 分析 可见 ， 网壳结 构的振 型 以分成 水平 振 动和竖 向振型为主 ， 网壳 的 自振频率具有 十分密集 的特点 ， 并且总有几 个频率 非 常接近甚 至相等 。研 究表 明 ， 网壳 结
式中 ， ［ Ｍ］为结 构 的质 量矩 阵 ； ［ Ｋ］为结 构 的刚 度矩 阵。 结构 自振特性 的研究 ， 从 数值 分析 的角度归结 为求解公 式（ ３ ）的广义特征值问题。 利用公式 （ ３ ）可求出结构的 自振 频率 以及对应的振型向量。 （ ２ ） 弹性时程分析方法 。 弹性 动力时程分析方法解决
自振频率 和周期 ， 由表 １ 分析可得 ： 第一 、 二 阶振型 的周期和
动力荷载作用下单层球面网壳破坏模式探讨
采 用子空间迭代 法 ， 别对 ４ ｍ跨 度失跨 比为 １ ３ １ 分 ０ ／ 、／
５ １７的 Ｋ 、／ ８型 网壳 提取前 ４ ｏ阶振 型进行 分析 。分析 结构
表明： 网壳 结构 自振 频率 密集 ， 在地 震 响应计 算 时 ， 考 虑 应
各 阶阵型间的相关性 ， 采用振 型分解 反应谱 法计 算时 ， 至 应 少选取 前 ２ Ｏ阶振 型进 行组 合 ， ， 否则 计算结果不稳定 。随着
网壳 结构 因其 用钢量 少 、 型优 美 、 造 受力合 理 等特 点 ， 成为大跨 度建 筑结 构 中具 有广 阔 发 展前 景 的结 构形 式 之
一
虑单元 的大变形 、 大转角 ； 阻尼假定 为 Ｒｙ ｉ 阻尼 ， 比 ａｌｇ ｅｈ 阻尼
取 ００ ； ．２ 材料为 Ｑ ３ ２ ５钢 ， 氏模量 为 ２ ６ Ｎ ｍ 泊松 比为 杨 ０ｋ ／ ｍ ， ０ ３ 采用考虑鲍 辛格 效应 的 随动强化 Ｍｉ ｓ 想 弹塑 性材 ．， ｓ 理 ｅ 料， 屈服强度 ２ ５ ／ ｍ 。研究 了 Ｋ ３Ｎ ｒ ２ ａ ８网壳的 自振特性 、 及在 地震作 用下的破坏模式 。
失稳 的特征 。当荷载 幅值 为 ６０ａ时 ， ０ｇ ｌ 结构 在地 震作 用 下
的节 点 最 大 总 位 移 为 ０ ３ ｍ， 时 结 构 的 总 变 形 能 为 ．４ 此 ６ ２７ ４ ， ９ ６ ． Ｊ结构的总 动能为 ７０ ．４ ； 当荷 载 幅值增 加 到 ７４ ８ Ｊ 而 ７０ ａ时 ， 构的节点 最大 位移 突增至 ０ ７ ｍ， ０ ｇｌ 结 ．８ 此时结 构 的 总变形能为 １１８ Ｊ 总动 能 为 ８９ ． ６ ， 时位 移 时程 曲 ０ ５４ ， ９ ３８ Ｊ 此
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单层柱面网壳在强震下的破坏机理研究王晓可范峰支旭东沈世钊（哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨１５００９０）摘要：柱面网壳的结构形式、受力特性与其他网壳结构不同，造成其在强震下破坏机理的特殊性。
采用基于结构响应的全过程分析方法，利用软件Ａｂａｑｕｓ，综合宏观、微观响应指标，对单层柱面网壳进行大规模的参数分析，探求其在强震下的破坏机理。
通过典型算例的分析比较，确定了单层柱面网壳的破坏模式及其特征，总结了临界荷载的确定方法。
在大量计算数据统计的基础上，提出了单层柱面网壳实用的动力破坏判别准则。
单层柱面网壳在强震下可能出现的动力失稳破坏突然，破坏时塑性发展浅，结构刚度几乎没有削弱，结构位移小。
单层柱面网壳在强震下强度破坏也可能出现，情况与前不同，其中强度破坏包括强度破坏Ⅰ和强度破坏Ⅱ，强度破坏Ⅱ有明显失稳现象而强度破坏Ⅰ没有。
动力实用判别准则以最大节点位移和８ｐ比例为参考指标，用来确定强度破坏Ⅰ和强度破坏Ⅱ极限荷载。
对考虑损伤的柱壳破坏机理进行了初步探讨，损伤对不同的结构影响不同，给出了工程设计中损伤降低系数的建议值。
关键词：单层柱面网壳；强震作用；破坏机理；动力失稳；强度破坏中图分类号：ＴＵ３９３．３文献标识码：Ａ文章编号：１０００－１３１Ｘ（２００６）１１－００２６－０７Ｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｉｎｇｌｅ－ｌａｙｅｒｌａｔｔｉｃｅｄｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｓｈｅｌｌｓｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｓｔｒｏｎｇｅａｒｔｈｑｕａｋｅＷａｎｇＸｉａｏｋｅＦａｎＦｅｎｇＺｈｉＸｕｄｏｎｇＳｈｅｎＳｈｉｚｈａｏ（ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５００９０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌａｔｔｉｃｅｄｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｓｈｅｌｌｓａｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｏｍｔｈｏｓｅｏｆｏｔｈｅｒｌａｔｔｉｃｅｄｓｈｅｌｌｓ，ｗｈｉｃｈｍａｋｅｓｏｍｅｐａｒｔｉｃｕｌａｒｉｔｙｏｎｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｒｅｓｐｏｎｓｅａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｉｎＡｂａｑｕｓ，ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｍｕｌｔｉ－ｉｎｄｅｘｅｓｒｅｓｐｏｎｓｅｓｆｒｏｍｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃａｎｄｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃｌｅｖｅｌｓ，ａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆｐａｒａｍｅｔｅｒａｎａｌｙｓｅｓｆｏｒｓｉｎｇｌｅ－ｌａｙｅｒｌａｔｔｉｃｅｄｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｓｈｅｌｌｓｈａｖｅｂｅｅｎｄｏｎｅ，ｗｈｉｃｈｃａｎｂｅｕｓｅｄｆｏｒｅｘｐｌｏｒｉｎｇｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｕｎｄｅｒｓｔｒｏｎｇｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓ．Ａｆｔｅｒｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｏｍｅｔｙｐｉｃａｌｃａｓｅｓｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｓａｎｄｓｏｍｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｈａｖｅｂｅｅｎｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏａｇｒｅａｔｎｕｍｂｅｒｏｆａｎａｌｙｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｅｄｄａｔａａｐｒａｃｔｉｃａｌｄｙｎａｍｉｃｆａｉｌｕｒｅｃｒｉｔｅｒｉａｏｆｓｉｎｇｌｅ－ｌａｙｅｒｌａｔｔｉｃｅｄｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｓｈｅｌｌｓｉｓｇｉｖｅｎ．Ｕｎｄｅｒｓｔｒｏｎｇｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓ，ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｉｎｇｌｅ－ｌａｙｅｒｌａｔｔｉｃｅｄｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｓｈｅｌｌｓｍａｙａｐｐｅａｒｓｕｄｄｅｎｌｙ，ａｎｄｗｈｅｎｉｔｈａｐｐｅｎｓ，ｔｈｅｐｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｖｅｒｙｌｉｍｉｔｅｄ，ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓｉｓａｌｍｏｓｔａｓｓａｍｅａｓｂｅｆｏｒｅａｎｄｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓａｒｅｎｏｔｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅ．Ｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｆａｉｌｕｒｅｏｆｓｉｎｇｌｅ－ｌａｙｅｒｌａｔｔｉｃｅｄｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｓｈｅｌｌｓｍａｙａｌｓｏｈａｐｐｅｎ．Ｉｔｓｅｅｍｓｑｕｉｔｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔ．ＴｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｆａｉｌｕｒｅｉｎｃｌｕｄｅｓｓｔｒｅｎｇｔｈｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅⅠａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅⅡ．ＳｔｒｅｎｇｔｈｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅⅡｈａｓｏｂｖｉｏｕｓｓｉｍｉｌａｒｐｈｅｎｏｍｅｎａａｓｔｈｏｓｅｉｎｄｙｎａｍｉｃｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｗｈｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅⅠｈａｓｎｏｔ．Ｕｓｉｎｇｍａｘｉｍｕｍｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｒａｔｉｏｏｆｗｈｏｌｅ－ｓｅｃｔｉｏｎｙｉｅｌｄｅｌｅｍｅｎｔｓ（８ｐ）ａｓｒｅｆｅｒｅｎｃｅｉｎｄｅｘｅｓｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｆａｉｌｕｒｅｃｒｉｔｅｒｉａｃａｎｂｅｕｓｅｄｆｏｒｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇｔｈｅｕｌｔｉｍａｔｅｌｏａｄｓｏｆｓｔｒｅｎｇｔｈｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅⅠａｎｄｍｏｄｅⅡ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｔｈｅｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｓｔｕｄｙｏｎｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｄａｍａｇｅｄｓｉｎｇｌｅ－ｌａｙｅｒｌａｔｔｉｃｅｄｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｓｈｅｌｌｓｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｓｔｒｏｎｇｅａｒｔｈｑｕａｋｅｍｏｔｉｏｎｉｓａｌｓｏｓｔｕｄｉｅｄ，ａｒｅｄｕｃｅｄｄａｍａｇｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｆｏｒｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｄｅｓｉｇｎｉｓｇｉｖｅｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｉｎｇｌｅ－ｌａｙｅｒｌａｔｔｉｃｅｄｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｓｈｅｌｌ；ｓｔｒｏｎｇｅａｒｔｈｑｕａｋｅ；ｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｄｙｎａｍｉｃｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｓｔｒｅｎｇｔｈｆａｉｌｕｒｅＥ－ｍａｉｌ：ｇｌｏｒｉａ－ｗ＠１６３．ｃｏｍ基金项目：国家自然科学基金重点项目（５０３３８０１０和５０２７８０２０）作者简介：王晓可，博士收稿日期：２００５－１２－１９网壳结构在动力荷载下可能会发生由几何非线性起主导作用而使结构无法维持稳定振动状态的动力失稳破坏，还可能会发生由塑性变形过度发展而导致的强度破坏。
在这两种破坏研究的基础上，文献［１－４］以球面网壳为研究对象，建立了统一的网壳结构失效机理的理论框架。
由于柱面网壳与球面网壳的受力特性不同，因此土木工程学报ＣＨＩＮＡＣＩＶＩＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＪＯＵＲＮＡＬ第３９卷第１１期２００６年１１月Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．１１Ｎｏｖ．２００６・・第３９卷第１１期研究柱面网壳在强震下的破坏机理对完善网壳结构失效机理理论框架具有重要意义。
本文系统研究了柱壳的破坏模式及其临界荷载的确定方法，在大量参数分析基础上，提出具有实用性的判别准则，同时还对考虑损伤的破坏机理进行初步探讨。
１破坏模式分析及临界荷载的确定采用三向网格型单层柱面网壳（图１），边界条件为四边支承；柱面网壳宽１５ｍ，矢宽比为１／２，１／３，１／５；长宽比为１．０，１．４，１．８，２．２，２．６；屋面质量为６０ｋｇ／ｍ２、１２０ｋｇ／ｍ２、１８０ｋｇ／ｍ２；三向输入Ｔａｆｔ（１９５２年ＫｅｒｎＣｏｕｎｔｙ）地震波，地震动持时５０ｓ；选择杆件截面时按常规设计选杆，保证结构有２倍的安全度。
动力时程分析中考虑材料与几何双重非线性；材料为理想弹塑性模型，符合Ｖｏｎ－ｍｉｓｅｓ屈服准则，采用Ｒｅｉｌｅｉｇｈ阻尼，阻尼比取０．０２。
利用通用有限元软件Ａｂａｑｕｓ，结合多项响应指标对柱面网壳进行全过程分析：通过逐级加大地震波幅值，获得对应荷载幅值下结构的各响应指标值。
各响应指标分别为最大节点位移、进塑性杆件比例、结构平均相对塑性应变、位移延性系数等。
限于篇幅，这里仅给出最大节点位移、进塑性杆件比例（ｐｉｐｅ单元沿截面共有８个积分点，１ｐ、３ｐ、５ｐ、８ｐ分别指截面上有１、３、５、８个积分点进入塑性）两项宏观、微观指标。
１．１柱面网壳的两种破坏模式球面网壳在强震下最终发生失稳而倒塌，在倒塌前有两种破坏模式：动力失稳和强度破坏。
动力失稳破坏突然，破坏时位移较小、进入塑性的杆件少且塑性发展较浅；强度破坏则经历较长的塑性变形发展、刚度严重削弱后才发生失稳而倒塌［３］。
由于柱面网壳的边界条件和几何形状与球面网壳不同，因此其破坏模式与球面网壳的破坏模式有一定差异，具体分析如下。
１．１．１单层柱面网壳的强度破坏（１）强度破坏Ⅰ（Ｌ＝２７ｍ，ｆ／ｂ＝１／２，ｇ＝６０ｋｇ／ｍ２）图２￣４分别为该柱壳各特征响应指标随地震荷载幅值增大的变化曲线，从图中发现：随着荷载幅值增加，结构的最大节点位移、进塑性杆件比例逐渐增加，结构刚度逐渐弱化；节点振动平衡位置偏移越来越大，但基本上保持比较平稳的振动，位移时程曲线没有突然的发散点。
在荷载幅值增加的过程中，没有出现荷载幅值微小增量导致各响应指标异常增大的现象，即失稳倒塌。
即使是荷载幅值增加到很大值，刚度严重削弱，塑性发展很深，网壳已经发生严重畸变（图５），结构也没有失稳现象发生。
塑性深入的发展使整个结构不断的发生内力重分布，最终由于大部分杆件达到屈服强度，结构失去承载能力，发生强度破坏。
在这类结构中，同几何非线性相比，材料非线性作用更加显著。
这是一种十分典型的强度破坏，定义为强度破坏Ⅰ。
（为了理论上分析和探求柱壳的破坏机理，掌握此算例随荷载幅值增加各响应的变化过程，本文将此例的地震波加速度幅值一直增加到３７００Ｇａｌ而实际地震动不会达到此值。
即使加速度幅值达到３７００Ｇａｌ，此柱壳也没发生由失稳引起的倒塌，与后面动力失稳破坏形成鲜明对比，证明了此结构是典型的强度破坏。
）图１三向网格单层柱面网壳Ｆｉｇ．１Ｔｈｒｅｅ－ｗａｙｇｒｉｄｓｉｎｇｌｅ－ｌａｙｅｒｌａｔｔｉｃｅｄｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｓｈｅｌｌ图２荷载幅值－结构最大节点位移曲线Ｆｉｇ．２Ｍａｘｉｍｕｍｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ－ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｍｐｌｉｔｕｄｅ图３荷载幅值－屈服杆件比例曲线Ｆｉｇ．３Ｙｉｅｌｄｅｌｅｍｅｎｔｒａｔｉｏ－ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｍｐｌｉｔｕｄｅ王晓可等・单层柱面网壳在强震下的破坏机理研究２７・・土木工程学报２００６年图１０荷载幅值－屈服杆件比例曲线Ｆｉｇ．１０Ｙｉｅｌｄｅｌｅｍｅｎｔｒａｔｉｏ－ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｍｐｌｉｔｕｄｅ图７荷载幅值－屈服杆件比例曲线Ｆｉｇ．７Ｙｉｅｌｄｅｌｅｍｅｎｔｒａｔｉｏ－ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｍｐｌｉｔｕｄｅ图４最大位移节点位移时程曲线Ｆｉｇ．４Ｔｉｍｅ－ｈｉｓｔｏｒｙｃｕｒｖｅｓｏｆｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ（２）强度破坏Ⅱ（Ｌ＝２７ｍ，ｆ／ｂ＝１／３，ｇ＝１８０ｋｇ／ｍ２）如图６、图７，各项响应指标随着荷载幅值增加而增加；１５５０Ｇａｌ位移达到０．８８ｍ，１ｐ、８ｐ也分别增加到６７．８％、３７．６％；当荷载幅值再增加５０Ｇａｌ，各响应指标突增，位移时程曲线突然发散（图８），结构失稳倒塌。