【摘 要】
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结构鲁棒性体现了局部构件破坏后的结构整体安全性,若结构的鲁棒性不足,在初始损伤出现后可能引起结构的连续性倒塌破坏,因此保证结构具备较好的鲁棒性能是维持其安全性的重要措施。构件的冗余特性是结构鲁棒性的重要组成部分,反映了构件失效对结构整体性能的影响,是构件重要性程度的综合体现;而结构易损性与鲁棒性是一对相反的概念,构件的易损性可以综合反映结构发生破坏的容易程度。研究结构构件的冗余度及其易损性,通过加
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结构鲁棒性体现了局部构件破坏后的结构整体安全性,若结构的鲁棒性不足,在初始损伤出现后可能引起结构的连续性倒塌破坏,因此保证结构具备较好的鲁棒性能是维持其安全性的重要措施。构件的冗余特性是结构鲁棒性的重要组成部分,反映了构件失效对结构整体性能的影响,是构件重要性程度的综合体现;而结构易损性与鲁棒性是一对相反的概念,构件的易损性可以综合反映结构发生破坏的容易程度。研究结构构件的冗余度及其易损性,通过加强低冗余-高易损构件对于提升结构整体性能和抗倒塌能力具有重要作用。本文采用敏感性分析方法对结构构件的冗余度及易损性的评价指标进行了研究,在此基础上研究了提升结构整体性能的方法,主要研究内容和获得的结果有:(1)为合理评价结构构件的重要性,以构件应变能对结构设计参数(构件截面面积、材料弹性模量)的敏感性为依据,并考虑其失效后的结构应变能变化量,建立了结构构件冗余度的评价指标,以衡量其在结构中的重要性。结果表明构件的冗余度系数可以准确地反映构件在结构中的重要性及其失效后对结构的影响程度,冗余度系数值大的构件其失效后对结构的影响较小,而冗余度系数值较小的构件其影响则相对较高。(2)根据构件冗余度系数值的大小,将结构构件划分为重要构件、一般构件和次要构件等三个不同层次的构件集合,实现结构构件的分类控制。将各构件间的冗余度标准差与各层次内的构件冗余度标准差之和的最小化作为目标函数,引入粒子群优化算法,以减小构件间的冗余度差异为目的,获得满足要求的构件截面尺寸。结果表明,减小构件间的冗余度差异,可以实现构件截面尺寸的合理分布,有效提升结构的整体性能和极限承载力,通过优化构件间的冗余度差异明显减小,结构的承载能力得到显著提高。(3)在构件冗余度评估的基础上,考虑荷载作用下(静力、动力)的构件易损性,建立构件易损性评价指标,根据构件的冗余度系数与易损性系数的大小,将构件分为高易损—低冗余构件、高易损—高冗余构件、低易损—低冗余构件、低易损—高冗余构件等四类构件。而后通过加强高易损—低冗余构件,同时削弱低易损—高冗余构件,实现结构材料的合理利用,提高结构的整体性能。结果表明,构件的冗余度及易损性指标可以准确反应其在荷载作用下的冗余特性及易损性能,通过加强结构重要构件,同时削弱次要构件,可有效性提高结构的承载力及其整体力学性能。(4)为实现网壳结构节点连接能力的均衡分布,改善结构性能,提升其极限承载力。基于构形易损性理论建立了衡量结构节点构形度差异性的评价指标,用以评价结构节点连接性能的差异性。在此基础上,将构件截面尺寸作为优化变量,以节点构形度差异系数最小化为优化目标,并考虑结构位移、构件长细比、强度及稳定性等约束条件,采用粒子群算法优化结构构件的截面尺寸。结果表明,节点构形度差异系数能准确反映网壳节点连接性能的差异性,通过粒子群算法优化结构构件的截面尺寸,可实现结构节点连接性能的均衡分布,改善结构在地震作用下的倒塌模式,有效提升了结构的整体性能。
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