地震動(dòng)作用下長(zhǎng)跨長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)研究

1結(jié)構(gòu)體系及剛度石家莊國(guó)際博覽會(huì)由七個(gè)標(biāo)準(zhǔn)展廳、一個(gè)多功能展廳、一個(gè)會(huì)議中心和一個(gè)中央大廳組成。其中中央大廳東西向沿軸線長(zhǎng)約800m，屬超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)第5.1.2條第5款及條文解釋:對(duì)于平面投影長(zhǎng)度大于300m的大跨空間結(jié)構(gòu)，當(dāng)下部支承結(jié)構(gòu)為一整體、且與上部空間鋼結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度之比大于2時(shí)，可采用三向單點(diǎn)一致輸入計(jì)算地震作用。考慮到本項(xiàng)目為7度Ⅲ類場(chǎng)地，且長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于300m，為確保設(shè)計(jì)安全，對(duì)其進(jìn)行了地震作用的多向、多點(diǎn)、多維輸入分析研究。2分析2.1基于大質(zhì)量法的地震動(dòng)多點(diǎn)、多維輸入分析隨著越來(lái)越多的平面超長(zhǎng)大跨鋼結(jié)構(gòu)建筑的興建，地震動(dòng)多點(diǎn)多維輸入對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響的研究也越來(lái)越成熟。以往的研究成果表明:對(duì)于平面尺寸超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)有必要進(jìn)行多點(diǎn)輸入地震反應(yīng)分析。時(shí)程分析法由于具有作為確定性方法的諸多優(yōu)點(diǎn)，成為地震動(dòng)多點(diǎn)、多維輸入的基本方法。地震動(dòng)的多點(diǎn)輸入可以采用虛擬激勵(lì)法、支座大質(zhì)量法和支座大剛度法等。其中支座大質(zhì)量法，即在需要施加加速度邊界條件的支座節(jié)點(diǎn)上附加大質(zhì)量及施加相應(yīng)的集中荷載。支座大質(zhì)量法由于簡(jiǎn)便實(shí)用且方便在通用有限元程序中實(shí)現(xiàn)，從而得到廣泛應(yīng)用。本研究采用大型通用有限元軟件ANSYS14.0，利用支座大質(zhì)量法實(shí)現(xiàn)地震動(dòng)多點(diǎn)、多維輸入分析。本工程基底土層分布比較均勻，局部場(chǎng)地條件效應(yīng)可不考慮，本次多點(diǎn)地震輸入分析主要考察行波效應(yīng)。以往的震害經(jīng)驗(yàn)表明，地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)是多維的，在抗震設(shè)計(jì)中必須考慮地震動(dòng)的多維性。本次多維地震輸入分析的三向地震波的峰值加速度按1:0.85:0.65進(jìn)行調(diào)整。分析假定地震波沿地表面以一定的速度傳播，各點(diǎn)波形不變，只是存在時(shí)間的滯后，即行波法。視波速下限取等效剪切波速180m/s(地震安評(píng)報(bào)告提供)，上限根據(jù)以往分析經(jīng)驗(yàn)取800m/s，在上、下限范圍內(nèi)，取用400m/s。由于本項(xiàng)目平面布置的非正交性，分析考慮了3個(gè)地震波傳播方向(圖1)，每個(gè)傳播方向包括3個(gè)空間正交的地震動(dòng)輸入分量。作為比較，還進(jìn)行了同樣方式的單點(diǎn)多維輸入分析。計(jì)算具體確定的地震波傳播方向及地震動(dòng)輸入分量如圖1所示，共計(jì)36種分析工況。2.2地震波的識(shí)別在進(jìn)行多遇地震作用下地震波多向、多維、多點(diǎn)輸入彈性動(dòng)力時(shí)程分析時(shí)，選用兩條實(shí)際地震記錄的地震波ElCentro波(E波)及Taft波(T波)及《工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》提供的1條人工波(R波)。3條波的持續(xù)時(shí)間、場(chǎng)地條件等均符合規(guī)范要求。選用的3條地震波對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜見(jiàn)圖2。分析輸入的最大地震加速度為35cm/s2ㄢ2.3原模型的簡(jiǎn)化能夠準(zhǔn)確反映本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)布置的完整詳細(xì)計(jì)算模型(以下簡(jiǎn)稱原模型)的數(shù)據(jù)量相當(dāng)龐大，計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)70534個(gè)、單元數(shù)64808個(gè)。采用此模型進(jìn)行多點(diǎn)地震輸入研究計(jì)算耗時(shí)相當(dāng)長(zhǎng)，以致無(wú)法在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究。本項(xiàng)目主要關(guān)鍵構(gòu)件為地上1層作為豎向支撐結(jié)構(gòu)的樹(shù)形框架柱及Y形框架柱，因此將原模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化的方法是將原折板網(wǎng)架等代為具有不同于原結(jié)構(gòu)材料的板狀實(shí)體并使用殼單元進(jìn)行模擬分析，從而大大減少節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)量。等代的條件為等代后的板在質(zhì)量及剛度方面與原折板網(wǎng)架一致。剛度包括板平面內(nèi)的軸向拉壓剛度、平面外的彎曲剛度及剪切剛度等。簡(jiǎn)化后的計(jì)算模型如圖3所示，除折板網(wǎng)架外，原模型中諸如地下結(jié)構(gòu)、地上豎向支撐結(jié)構(gòu)、框架柱與折板網(wǎng)架間的撐桿以及折板網(wǎng)架間的空間倒三角聯(lián)系桁架等所有桿件均保留下來(lái)。簡(jiǎn)化模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)3462個(gè)、單元數(shù)3830個(gè)，數(shù)量比原模型大大減少。簡(jiǎn)化模型計(jì)算得出的結(jié)構(gòu)前6階振動(dòng)模態(tài)的周期與原模型較為接近(表1)，前6階振型特征基本一致，均以水平振動(dòng)為主。3分析的結(jié)果3.1結(jié)構(gòu)的整體反應(yīng)3.1.1原模型與簡(jiǎn)化模型的對(duì)比圖4為X向人工波(波速800m/s)多點(diǎn)輸入下地上鋼結(jié)構(gòu)部分的基底剪力隨時(shí)間的反應(yīng)。從圖中首先可以看出，簡(jiǎn)化模型與原模型給出的單點(diǎn)一致輸入基底剪力反應(yīng)比較接近，且兩者給出的最大基底剪力與反應(yīng)譜結(jié)果也基本一致，簡(jiǎn)化模型給出的分析結(jié)果可靠。由于行波效應(yīng)，支座各點(diǎn)輸入的地震動(dòng)具有不同步性，即各點(diǎn)達(dá)到峰值的時(shí)間不同，多點(diǎn)輸入下基底剪力僅為單點(diǎn)一致輸入的44.52%。3.1.2整體扭轉(zhuǎn)效應(yīng)以往的研究發(fā)現(xiàn)，地震的多點(diǎn)輸入會(huì)放大結(jié)構(gòu)的整體扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。對(duì)地上3段鋼結(jié)構(gòu)的整體扭轉(zhuǎn)效應(yīng)進(jìn)行了考察。圖5為1段結(jié)構(gòu)在X向人工波(波速400m/s)多點(diǎn)地震輸入下的整體扭轉(zhuǎn)角反應(yīng)。從圖中可以看出多點(diǎn)地震輸入下的整體扭轉(zhuǎn)角最大值明顯大于單點(diǎn)一致輸入(約為1.49倍)。2段和3段的反應(yīng)與1段類似。3.2行波效應(yīng)的影響構(gòu)件內(nèi)力是多點(diǎn)輸入地震反應(yīng)分析的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。由于本項(xiàng)目混凝土支承結(jié)構(gòu)僅為1層且位于地下，行波效應(yīng)對(duì)其構(gòu)件的影響不列入考察的范圍。本研究主要考察行波效應(yīng)對(duì)地上鋼結(jié)構(gòu)樹(shù)形柱和Y形柱、框架柱與折板網(wǎng)架間的撐桿以及折板網(wǎng)架間的空間倒三角聯(lián)系桁架桿件的軸力、彎矩及剪力的影響。在分析構(gòu)件內(nèi)力時(shí)，定義超載單元為多點(diǎn)輸入計(jì)算結(jié)果與單點(diǎn)輸入計(jì)算結(jié)果的比值超過(guò)1.0的單元，這一比值稱作超載比。3.2.1地上鋼結(jié)構(gòu)平均《力學(xué)性能》平均《內(nèi)壓力》平均《平均高值的計(jì)算通過(guò)采用180,400,800,1200m/s四組不同波速，對(duì)比研究了波速對(duì)地上鋼結(jié)構(gòu)針對(duì)不同內(nèi)力統(tǒng)計(jì)的所有超載單元的平均超載比的影響，結(jié)果如圖6所示。由圖可知，針對(duì)軸力、My及Mz三組不同內(nèi)力得出的規(guī)律基本一致，平均超載比隨波速的提高而減小，且在波速小于400m/s時(shí)平均超載比減小的速率較快，而后較為平緩。3.2.2．1不同熱設(shè)計(jì)模型的熱性能考察分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)有些構(gòu)件的內(nèi)力相對(duì)于其承載力來(lái)說(shuō)絕對(duì)值很小，但其超載比可能卻很大。統(tǒng)計(jì)所有超載單元的平均超載比時(shí)，每一單元的超載比應(yīng)按其內(nèi)力水平考慮一定的權(quán)重，否則將導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)的平均超載比值過(guò)大。如表2所示，在濾掉統(tǒng)計(jì)內(nèi)力所致的應(yīng)力比小于0.005的構(gòu)件后，按Mz統(tǒng)計(jì)濾掉了約69%的超載單元，平均超載比也由濾前的1.65減至濾后的1.20。原因是Mz為桿件弱軸彎矩，其絕對(duì)值很小，超載比的離散性較大。除特別指出外，以下關(guān)于平均超載比均按濾掉統(tǒng)計(jì)內(nèi)力所致應(yīng)力比小于0.005的超載單元后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。3.2.3鋼結(jié)構(gòu)運(yùn)行特征圖7為波速為400m/s的人工波多點(diǎn)輸入下軸力超載單元的統(tǒng)計(jì)情況。所有的地上鋼結(jié)構(gòu)桿件中超載單元數(shù)為553個(gè)，占單元總數(shù)的39.19%。約80%的超載單元的超載比介于1.0～1.5。僅有不足5%的超載單元的超載比大于2.0。以不濾掉軸力較小單元計(jì)算的所有超載單元的平均超載比為1.25。圖8為本分析工況超載單元的分布圖。從圖中可以看出，超載比大于1.5的單元主要位于各段鋼結(jié)構(gòu)兩端及周邊區(qū)域。表3給出了各段鋼結(jié)構(gòu)各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平均超載比統(tǒng)計(jì)結(jié)果。統(tǒng)計(jì)方法為3個(gè)波速結(jié)果取平均值，3個(gè)地震動(dòng)輸入方向取最大值，且均按濾掉考察內(nèi)力所致應(yīng)力比小于0.005的超載單元后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。由表可知，各段軸力及剪力平均超載比均為1.2;各段彎矩的平均超載比為1.1～1.2;1段聯(lián)系桁架軸力、My,Qy的平均超載比大于或等于1.3;3段的框架柱與網(wǎng)架之間的撐桿的雙向剪力的平均超載比大于或等于1.3ㄢ以往的分析表明:對(duì)于本項(xiàng)目這類大柱網(wǎng)多點(diǎn)支承中小跨度網(wǎng)殼，采用多點(diǎn)輸入后，由于柱頂內(nèi)力的改變，對(duì)于網(wǎng)殼支承點(diǎn)位置附近桿件可能產(chǎn)生一定影響，對(duì)跨中網(wǎng)殼桿件則不會(huì)產(chǎn)生很大影響。多點(diǎn)輸入對(duì)折板網(wǎng)架桿件內(nèi)力的影響可以間接參考支承網(wǎng)殼的撐桿內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果。由于網(wǎng)架桿件多為軸力桿件，其超載比可以參考表3中關(guān)于撐桿軸力的超載比，并按1.1取值。4地上鋼結(jié)構(gòu)單元平均《校核》平均超力比的確定采用大質(zhì)量法對(duì)石家莊國(guó)際會(huì)展中心中央大廳進(jìn)行了地震作用的多向、多點(diǎn)、多維輸入分析研究，分析結(jié)果表明:(1)地震動(dòng)多點(diǎn)輸入明顯降低了地上整體鋼結(jié)構(gòu)的基底剪力反應(yīng)，增大了各段鋼結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。(2)濾掉考察內(nèi)力所致應(yīng)力較小的超載單元可以得到較為合理的平均超載比。(3)除折板網(wǎng)架外，地上鋼結(jié)構(gòu)的軸力及剪力平均超載比為1.2，彎矩的平均超載比為1.1～1.2ㄢ(4)1段聯(lián)系桁架的軸力、My,Qy以及3段框架柱與網(wǎng)架間撐桿的雙向剪力的平均超載比大于或等于1.3ㄢ(5)折板網(wǎng)架桿件內(nèi)力的超載比可以參考框