大跨度悬臂桁架结构的强震失效机制研究
摘要 ：大跨度悬臂桁架结构被广泛应用于体育场馆、会展中心等公共建筑中，其在强震下的失效机理值得关注。本文对悬臂桁架的失效模式及失效特点进行了研究，重点分析了悬臂桁架结构的失效机制；通过大规模的参数分析，讨论了结构的失效极限荷载随不同地震作用、结构初始缺陷、跨高比等参数的变化规律。
关键词：悬臂桁架结构；强震作用；失效机制；失效模式
虽然钢管桁架在近些年得到了飞速的发展，被广泛应用在体育场馆、展览馆、机场航站楼等大跨度空间建筑中；但是当前针对于桁架结构的研究多以实际工程为对象，研究内容也多是具体工程的受力特点及设计难点分析，较少进行系统的理论探讨，尤其是结构在地震下的响应规律及强震失效机理研究尚属空白。本文正是在这样的背景下，应用动力荷载域全过程分析技术及ABAQUS有限元软件，通过系统的参数研究，探讨悬臂桁架结构在强震作用下的失效机理，定义该结构的强震失效模式，在大量算例分析的基础上，总结该结构的强震失效规律。
一、悬臂桁架结构的典型强震失效模式
以考虑材料损伤累积的桁架CT30080910（符号说明：例CT30080910，其中CT代表悬臂桁架，30表示跨度为30m，08表示跨高比为8，09表示屋面质量为90kg/m2，10表示截面应力比为1.0。其他算例符号与此相似，可类推得到）在三向Taft波地震作用下为例，说明它在不同地震作用强度下一些动力全过程响应，其它算例的规律均与此算例类似，不再赘述。
桁架的各特征响应如图1所示，荷载幅值为400gal时，结构只有上弦根部的一根杆件开始进入塑性（图1b），结构最大节点位移也仅有0.1757m（图1a），没有出现全截面屈服的杆件。随荷载增大，塑性进一步发展，当荷载增至900gal时，除根部杆件出现全截面塑性外，中部上弦斜杆出现全截面塑性，结构最大节点位移增至0.346m，结构仍然能够保持平衡振动（图1c）；当荷载增加至950gal时，塑性杆件剧增，根部两个节间的上、下弦杆及腹杆都进入了全截面塑性，结构振动发散。结构在900gal以前一直保持着悬臂的变形状态，而在950gal时发生了严重的倒塌，因此，可以判定荷载幅值950gal是结构的倒塌荷载，900gal是结构的失效极限荷载。
在这一算例中，悬臂桁架结构随着荷载幅值的不断增加，杆件塑性不断深入发展，最后因为下弦杆件塑性过度发展，变形过大而发生倒塌。结构倒塌时，结构内部的材料、特别是在悬臂桁架根部产生了严重的塑性变形，说明结构的倒塌是由于根部材料强度失效引起的，因此该结构破坏形式属于动力强度破坏范畴。而同网壳结构不同的是，悬臂桁架结构材料塑性发展并不均衡，只是根部的两个节间的杆件全部进入塑性，其他节间塑性发展相对要弱一些，这也体现了悬臂桁架这种结构形式的受力特点，即从根部到悬臂端受力逐渐减小。
二、结构失效响应规律
从图2可以看出，悬臂桁架结构是一种缺陷不敏感结构，它的倒塌极限荷载并没有随着初始几何缺陷的增大而降低，塑性深度的发展受初始缺陷的影响也特别小。因此为了简化计算，在计算分析中悬臂桁架可以忽略初始几何缺陷的影响。通过计算可得，在不同的地震动作用下，结构的特征响应差别很大，这在图3中有明显的体现。其中，结构在Taft波作用下的地震响应更大，有的甚至相差两倍以上。除此之外，从其它结构的全过程响应变化趋势上来看，结构在三种地震动作用下的响应规律还是基本一致的。分别采用单维（包括水平和竖向地震输入）以及三维地震动输入，可以看出结构在三维地震下的动力特征响应比单维的更加剧烈，且竖向和三维地震作用引起的反应相差很小，因此，在精度要求不是很高的时候，也可以近似用竖向地震动代替三维地震。图5可以得出悬臂桁架结构的抗震性能随高跨比的变化趋势为：随高跨比的减小，结构的失效极限荷载幅值有增大趋势，以1/8和1/12对比，有些情况甚至提高一倍多；结构的杆件塑性发展程度随着高跨比的减小有加深趋势。图3-12b中显现出，不同高跨比的桁架最大节点位移集中在0.3m～0.75m之间，随高跨比的变化并没有一致的变化规律，判断结构的塑性发展深度需要综合考虑结构的各项特征响应指标。
三、结论
本文通过对悬臂桁架结构的强9707失效规律进行研究，获得了结构的失效模式及结构随各工程参数的变化影响规律，研究内容可为工程结构的设计提供参考。
