大跨空间结构投资巨大、社会效益显著,而且往往是人群集合或配置重要设施的大型公共场所,一旦发生破坏倒塌,将造成重大人员伤亡和财产损失、后果非常严重。我国是一个地震多发的国家,作为公共建筑的大跨空间结构的抗震问题,就显得比一般建筑物更为关键和重要。 大跨空间结构由于其结构跨度大、杆件数目庞大、模型复杂等特点,给抗震设计带来一系列问题,例如：常规方法中的振型质量难以达到规范要求、地震波输入应考虑局部场地效应等。我国现行《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)中的抗震分析是基于一致性地震输入的假定,并没有考虑局部场地效应和行波效应等影响,还不能够满足大跨空间结构的抗震分析要求。如何在设计和建造阶段,使得大跨空间结构具有足够的抗震能力和合理的安全度,始终是我国和各国工程界和学术界关注的焦点问题。 本文基于上述研究背景,针对大跨空间结构多维多点地震反应分析问题进行了多方面研究,并取得了以下研究成果： (1)引入LDR向量法进行振型叠加反应谱分析 在进行大跨空间结构地震反应分析时,若采用直接时程积分法,不仅方法复杂、计算量巨大,而且积分步长对计算精度的影响较大,在工程中不易被采用；若采用常规的特征向量振型叠加反应谱法,要达到规范要求的振型参与质量90％以上,往往需要提取几百阶、甚至上千阶振型,既费时又费力,不能体现出振型叠加法的优点。 本文将基于荷载的Ritz向量(即LDR向量)代替特征值向量,并将其引入到振型叠加反应谱分析中。这样,采用少量振型就可以达到常规的特征向量反应谱法需要几百阶、甚至上千阶振型才能实现的计算精度,而且计算时间缩短到几十分之一,工作效率得到了极大的提高。 同样,LDR向量还可以用于风振等模态时程分析中,能够提高结构时程反应分析的工作效率,这也对提高类似问题分析的工作效率起到了一个很好的借鉴作用。 (2)采用粘弹性人工边界处理局部场地效应 大跨空间结构由于其跨度大,局部地形的不同会对地震的输入产生较大影响,从而会影响到整个结构的地震反应。因此,分析局部场地效应对大跨空间结构地震响应的影响显得非常重要。 本文在总结和对比各种场地分析方法和人工边界的基础上,采用已有的粘弹性人工边界、粘弹性人工边界单元及其输入方法,并采用EERA和ANSYS软件对处于复杂场地条件下的大跨空间结构进行地震场地反应分析,为多维多点输入应用于复杂场地条件下的大跨空间结构奠定了基础。 (3)研究了行波效应对大跨空间结构的影响 在多维多点输入问题研究中,行波效应对大跨空间结构产生的影响最为明显,这也是进行大跨空间结构多维多点输入时最为重要的一个因素。 本文通过算例,研究了大跨空间结构在一致地震激励和行波激励下的结构反应,研究了在不同视波速下,地震波传播对大跨空间结构反应的影响,发现不同视波速对结构反应的影响具有不确定性,即视波速大小与所造成的结构反应大小之间,没有一定的规律性。因此,需要按不同的视波速(至少三个)来进行大量算例分析,全面考虑多维多点对大跨空间结构的影响。 (4)选取支座大质量法作为多维多点输入的分析方法 地震波传播过程的复杂性对大跨空间结构的抗震性能有着显著的影响,有不少学者已经在桥梁等结构中对其展开了广泛的研究和应用。然而,以往针对大跨空间结构多维多点输入的分析方法,不但复杂多样,而且大多数应用起来比较复杂,不宜被工程采用。 针对这一现状,本文提出了适合工程应用的大跨空间结构多维多点输入分析的实用方法、即支座大质量法,并通过实例详细研究其实现过程。支座大质量法引入场地效应对地震波传播衰减、扩散等效应的影响,重点考虑了行波效应,可以准确考虑多维多点输入对大跨空间结构地震响应的影响。换言之,该方法考虑了局部场地效应、部分相干效应和行波效应等对大跨空间结构地震响应的影响,分析方法简便实用、直观清晰。 本文还将多维多点输入下的结构反应放大超载情况与一致输入情况进行比较,得到了比较直观的研究结果。 (5)工程实例的检验和修正 采用本文提出的多维多点输入的分析方法,对某大型飞机库进行详细的分析研究,对本文研究成果进行检验和修正,并形成一套能够有效处理此类大跨空间结构多维多点地震分析的有效方法。同时,参考大量相关文献的分析结果,总结出大跨空间结构在多维多点输入下结构地震响应的一般规律。 由于空间结构的上部结构为三维空间网架结构,其整体性良好,所以多维多点输入对其影响不大。在场地复杂、结构抗震等级较高和烈度较大的地方,空间结构与其它结构相比,抗震性能具有一定的优越性。但是,研究结果表明,在多数情况下,多维多点输入会对大跨空间结构产生不利影响,会使结构的主要受力构件的截面力增大；空间结构抗震的关键问题在于支撑结构、以及支撑结构与上部结构的有效连接。 (6)编制了大跨空间结构多维多点输入的实用分析软件 本文基于ANSYS大型有限元软件的APDL语言,编制了大跨空间结构多维多点输入的实用抗震分析方法的分析程序、以及分析结果后处理程序,将多工况、大数据量的繁重工作大大简化,提高了分析效率。采用该程序对某大型机库进行多维多点反应分析,结果表明,本文提出的分析方法完全正确、所编程序实用可靠。 本文研究的内容涉及面较广,包括地震反应分析反应谱法的改进、多维多点输入方法及其相关问题等,其中涉及到地震学、岩土力学、数值积分、大跨空间结构体系和结构动力学等多方面、多学科的内容。由于时间和精力有限,有些内容还有待进一步研究,具体如下： (1)研究合理的地面运动模拟方法 合理的地面运动的模拟方法,是大型结构抗震分析中最为基础、最为关键的问题。当前的抗震分析方法已经非常先进,如果确定了地震输入,则能够准确地确定结构在地震作用下的反应。然而,地震输入仍然是随机的,不同地震输入下结构的反应相差非常大,地震输入模型也比较粗糙。如何解决日臻完善、精细的抗震分析方法与相对粗糙的地面地震动输入模型之间的矛盾,仍然是当前的研究重点和难点问题。 现有的地面运动模拟方法都存在不同程度的问题,由于作为最基础的地震动输入存在较大的误差和不确定性,严重时会使当前已经十分完善的抗震分析方法失去了意义。 本论文已经考虑了行波效应和局部场地效应的影响,考虑了地震在土层中传播的放大衰减作用,但从空间变异地震的完整性来讲,还应对非均一效应的地震动输入进一步研究。 (2)多维多点输入的实验验证 本文对大跨空间结构多维多点输入问题进行了详细的研究,如果有条件进行实验验证,则更能够进一步说明问题。 由于振动台实验振动台面面积小,难以考虑多维多点的输入问题,因此,进行多维多点输入实验,较为理想的是现场实验。现场实验的局限性在于布点困难、地震的发生具有不确定性。因此,可以考虑对处于地震多发区的大跨空间结构,选择合适的地方布置测点,测量结构关键构件(柱、支撑等)内力和场地地震动参数,用实验结果来验证理论的正确性。 (3)实用的多点输入简化计算方法 目前采用的输入方法大多过于复杂,只能作为科研手段,还不能被广大设计人员接受。本文对输入方法进行了很大的尝试,找出了一套相对规范的输入方法。但是,对于设计来说,本文的计算量仍然会较大；在考虑局部场地效应方面,广泛推广仍有一定的困难。如何进一步简化,仍需进行大量的研究。 针对计算分析模型,如果只研究主要受力构件,可以适当进行模型的简化。因此,如何简化结构模型、以及确定简化模型的合格标准等,有待进一步研究。本文在简化模型方面做了一些简单的尝试,利用模型的总质量和周期接近来进行模型的简化,这样简化的准确程度需要进一步验证。 (4)多点输入效应对结构反应的影响 多点输入效应对结构反应的影响不容忽视,这是大多数学者的共识。但是,多点输入对结构反应的影响研究尚处于起步阶段,还没有针对多点输入的统一结论,要得到定性结论,需要大量工程的分析结论作为基础。多点输入效应与结构形式、结构平面尺寸、高度等因素有多大关系,有无定量化关系,需要以大量算例作为基础进行研究。 多维多点输入的分析数据量大、计算工作繁杂,如何从中发现内在规律,从而简化分析工况,这是一个值得继续研究的课题。