研究背景：大跨度单层柱面结构是近三十年来在中国取得飞速发展的一种空间结构，被广泛的用于大型体育馆、展览馆、航站楼等大型公共建筑，已建成的此类结构都成为了所在城市和地区的标志性建筑，因此其破坏倒塌引起的经济损失和人员伤亡将对国家安全和社会稳定造成巨大的冲击。尽管众多学者已经开展了结构的连续性倒塌和抗倒塌试验，并取得了一些成果，但研究主要是针对框架结构。而对于大跨度柱面网壳结构的研究目前还处于探索阶段，并且由于这类结构自身特点，例如对三向荷载作用都较敏感、不存在梁柱这种受力和传力体系、下部支承结构的地震放大作用以及倒塌前结构损伤及损伤累积等问题，这就需要我们针对大跨度单层柱面结构开展具体研究，推动空间结构的持续健康发展。

模型加工制作

       综合考虑芦山体育馆、宝兴体育场看台、以及常规的设计经验，并考虑到实际试验条件，模型采用1/6缩尺比设计。按照七度设防进行抗震设计，但由于试验的聚焦点是上部柱面网壳的破坏，因此为了减小下部框架结构进入非线性后对上部结构破坏造成的耦合影响，也考虑到实践设计，人为加大了下部框架结构的截面，使其尽量在大震状态下仍然处于弹性状态。同时也为对比研究单层柱壳倒塌和双层柱壳倒塌模式的区别,尽量使二者的设计参数一致，如图1所示。

图1 空间单层柱面网壳缩尺模型图

试验现象

       在倒塌过程中，由于柱壳坠落过程中，由于环梁的阻拦作用，导致球节点以及杆件直接坠落在环梁上，环梁形成了新的支撑点，从而形成了新的类似于马鞍型的新平衡状态。实际上这与设计预想到的过程并非一致，原本的预测倒塌模式是单层柱壳结构在强烈的地震作用再加上框架的放大作用下，从凸面失稳后向凹面的倒塌，也就是从单层柱壳结构最高势能点移动到最低势能点。本实验原本希望在单层柱壳结构发生倒塌后，柱壳的杆件不至于发生断裂从而坠落于二层楼面上，从而达到减小人员伤亡和财务损失的目的。但是在实际倒塌过程中，当外侧的球节点与环梁碰撞后，球节点在内侧的拉力下自动向内侧移动从而避开环梁，最后到达势能最低点，如图2所示。但是，由于单层柱壳结构在其柱壳曲面内刚度很大，碰撞后节点并没有向结构内部移动，导致单层柱壳在环梁上有了新的支撑点，形成了非常稳固的马鞍型球面。这是一个预期之外的事件，但是这一现象能够提醒我们，通过增加柱壳的柱壳曲面内的刚度，限制节点的向内侧移动，并利用柱壳结构的延性特征，撞击力较小，利用环梁形成单层柱壳新的支撑点，改变柱壳结构倒塌模式，使得单层柱壳结构在极限地震作用下，即使发生倒塌后不会倒塌在楼面上，造成更严重的人员伤亡和损失。这一方法本质上是建立一个新的抗倒塌的抗震防线。

图2 空间单层柱面网壳破坏及倒塌

试验结论

       单层柱壳结构的振动台试验获得了不同加速度作用下，柱壳下部支承结构的加速度放大效应和整体结构的动力响应。通过对比不同类型相同级别的地震动输入的结构响应，考虑了不同地震动对单层柱壳抗震性能的影响， Taft地震动的动力响应大于Lsfx地震动。试验时通过对比不同主方向相同级别和类型的地震动输入下的结构响应，考虑了不同主方向输入带来的影响，分析结果说明不同主方向输入对单层柱壳结构的影响并非十分明显。下部结构的加速度放大效应均随着地震动的增加而呈现增加趋势。

       试验获得了柱壳结构在地震作用下的失效模式。从应变结果看，双层柱壳结构主要承受拱平面的动力效应，垂直于拱方向的应变效应较小。另外在倒塌过程中没有测量到明显的冲击效应，应变时程曲线表现出弹性振动特征，说明倒塌出现的局部撞击影响有限。再结合实际震害现象，结构的破坏和倒塌震害现象显示出单层柱壳结构具有良好的延性特征，达到了设计中想达到的大震作用下的延性破坏特征。这与单层柱壳的杆件实际以受弯曲为主，弯曲效应的延性特征明显。

       单层柱壳结构的倒塌模式，从初始状态的凸面柱壳，逐步产生节点的竖向和水平位移，直至结构发生失稳倒塌，倒塌过程中由于受到环梁的阻碍，形成了导致类似于马鞍型的倒塌状态，在这一过程中单层柱壳结构的重力势能转化为动能时，势能转化的较少，冲击效应明显减少，这也是结构没有测量到冲击效应的一个原因。

       环梁的阻碍导致结构倒塌模式的变化，这个意外的事件提醒我们，可以在实际单层柱壳中设置一道防线，在关键时候阻碍结构的倒塌，改变结构的倒塌模式，使得结构进入另外一个倒塌状态，提高单层柱壳结构下部的生存空间。本实验中，不考虑非结构构件破坏的因素，设计初衷希望的在单层柱壳形成凹面倒塌废墟中不至于坠落于二层楼面的理念超额完成，不仅仅没有坠落于二层楼面上，整个环梁下部空间生存状态均较好。

       该成果发表在国际权威期刊《Archives of Civil and Mechanical Engineering》（Gui-bo Nie, Chen-xiao Zhang*, Xu-dong Zhi, Jun-wu Dai, Collapse of the single layered cylinder shell with model experimental study, Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2019,19(3):883-897.）（Q1，IF：2.76，*通讯作者）。