大跨度張弦梁結構地震響應分析

大跨度張弦梁結構地震響應分析

1對預應力鋼索的預張力梁結構是一種新型的空間結構形式，由支撐桿將梁（框架）與大型鋼絲繩索結合而成。張弦梁結構的最大優(yōu)點是可以通過對鋼絲索施加預張力使結構產生反拱,從而大大減小結構的撓度,另一方面由于鋼索抵消了拱腳水平推力,充分發(fā)揮了拱形結構的受力優(yōu)勢和索材的高強抗拉性能,使結構更加合理,降低了用鋼量。目前,張弦梁結構正日益被國內工程界所廣泛采用,代表性的工程有浦東國際機場航站樓屋蓋和廣州國際會展中心屋蓋。張弦梁結構作為一種新型空間結構,國內外對其抗震研究尚處于起步階段。本文考慮不同的預張力大小和布置不同數(shù)目的撐桿,對大跨度張弦梁結構在一致地震輸入和考慮行波效應的非一致地震輸入下的地震響應進行了理論計算分析。2結構動力動方程目前在實際工程的抗震分析中,地震波的輸入通常采用一致輸入方法。這種方法假定地基是剛性的,地震發(fā)生時,基礎各點以同樣的振幅和相位振動。這種假定對于跨度不是很大的結構來說還是可以接受的,但對于跨度很大的結構來說,與實際情況有很大出入。由于地震波速有限,當結構支座間距很大時,必須考慮地震波到達各支座時間的不同,所以在進行大跨度結構的抗震分析時應考慮行波效應。對于大跨度結構的抗震分析可采用時程分析法、隨機振動法和工程實用反應譜法,在進行非一致輸入地震響應的研究時,以時程分析法最常用?？紤]行波效應時,應按多點激勵作用進行分析。1969年,DibajPenzien推導了多點激勵下結構的運動方程,其基本原理是把結構反應的總位移分為擬靜態(tài)位移和動力相對位移,擬靜態(tài)位移用靜力法求解,代入原方程即可求出動力相對位移,從而求出總位移。在絕對坐標系下,其運動方程可表示為[MssMsbMbsMbb]???????X¨sX¨b???????+[CssCsbCbsCbb]?????X?sX?b?????+[KssKsbKbsKbb]{XsXb}={0Fb}(1)[ΜssΜsbΜbsΜbb]{X¨sX¨b}+[CssCsbCbsCbb]{X?sX?b}+[ΚssΚsbΚbsΚbb]{XsXb}={0Fb}(1)式中,{Xb}表示支座處地震動作用下地面強迫位移;{Xs}表示結構非支座節(jié)點位移;{Fb}表示地震動作用于支座的力;[Mss]、[Css]、[Kss]分別為結構內部節(jié)點的質量、阻尼與剛度矩陣;[Msb]、[Csb]、[Ksb]分別為結構內部節(jié)點對地面支座節(jié)點的質量、阻尼、剛度貢獻。在一致地面運動作用下,方程經變換退化為經典結構動力方程[Mss]{Y¨d}+[Css]{Y?d}+[Kss]{Yd}=?[Mss]{E}x¨g(2)[Μss]{Y¨d}+[Css]{Y?d}+[Κss]{Yd}=-[Μss]{E}x¨g(2)式中,{E}為慣性力向量。式(1)、式(2)的求解可以采用逐步積分法,本文采用無條件穩(wěn)定隱式積分格式的Newmark法。本文選取一體育館的大跨度張弦梁屋蓋結構作為計算模型,如圖1所示,結構跨度為109.4m。拱型梁采用截面為三角形的空間桁架,材料為Q345B,桿件規(guī)格為上弦桿Ф325×10、Ф325×7.5,下弦桿Ф426×12、Ф426×9,腹桿Ф159×6,撐桿Ф180×6,索由250根Ф7鋼絲組成,鋼索保持連續(xù)?；炷林孛娉叽鐬?000mm×1000mm,高度為19m。計算模型中,上、下弦桿視為連續(xù)梁,腹桿和上下弦之間、撐桿和下弦之間視為鉸接,撐桿與鋼索之間為彈性連接,柱與基礎剛性連接。計算時輸入的地震動為ElCentro波和Taft波,位移時程曲線分別如圖2、圖3所示。圖3Taft波位移時程曲線3計算與分析3.1結構的地震響應對于張弦梁結構,索內預張力的大小對結構的安全性具有至關重要的作用。在地震發(fā)生時,如何使索不發(fā)生應力松弛而致結構失效,是工程界十分關心的問題。圖4、圖5分別為預張力為800kN、400kN、200kN時索應力和跨中豎向位移的地震響應時程曲線。從圖4、圖5可以看出,無論是在ElCentro波還是在Taft波作用下,索應力和跨中豎向位移的地震響應規(guī)律相同,施加的預張力越大,結構的初始地震響應越大,ElCentro波作用時,800kN時初始索應力響應峰值分別為400kN和200kN時的1.82倍、3.08倍,800kN時初始跨中豎向位移峰值分別為400kN和200kN時的1.61倍、2.39倍,隨著內力的重分布,結構的地震響應趨于接近,與索施加的預張力大小關系不大。所以,設計時索內預張力的大小滿足結構的反拱要求即可。3.2結構自振頻率驗算撐桿的數(shù)目影響結構的受力性能。在地震作用下,不同的撐桿數(shù)目會使結構產生不同的應力分布。對索施加800kN的預張力,按圖1的計算模型,從跨中開始,分別選取撐桿數(shù)目分別為1、3、5、9四種計算模型進行地震作用下的響應分析,計算所得的結構自振頻率列于表1,索應力、控制桿件應力和跨中豎向位移的響應峰值列于表2。計算結果表明,當撐桿數(shù)目由1變到9時,結構的地震響應峰值變化不大。設置相同數(shù)目的撐桿,改變撐桿的位置,例如設置3根撐桿,一種按圖1計算模型集中在跨中設置,一種沿跨度均勻設置,對結構的地震響應影響也很小。所以,對于張弦梁結構,可以根據(jù)建筑要求確定撐桿的數(shù)目和位置。3.3相位差對地震響應的影響地震波在基巖中的傳播速度為2000m/s～2500m/s,在軟土層傳播速度較慢,為50m/s～250m/s?？紤]地震波傳播速度的各種可能性,取視波速為l00m/s～2600m/s。計算模型的柱跨度為109.4m,所以取地震波傳播過柱的相位差為0.04～1s來考慮相位差對地震響應的影響。但計算結果表明,當速度較快,相位時間差小于0.1s時,結構的地震響應幾乎與一致輸入沒有差別。因此,選取了具有代表性的相位差0.2s(550m/s)、0.4s(270m/s)、1.0s(110m/s)進行計算。三向波聯(lián)合作用下的索應力和跨中豎向位移的地震響應時程曲線分別如圖6和圖7所示。計算結果表明,ElCentro波的行波效應對結構內力和位移影響很大,考慮地震的行波效應和一致輸入相比,索應力峰值增大62.9%,豎向位移峰值增大36.2%;Taft波的行波效應對結構的內力和位移的影響很小,原因是結構的自振頻率和ElCentro波的頻率更接近。3.4張弦梁結構的地震響應約束條件對張弦梁結構的地震響應有很大的影響。為了減小溫度作用和地震響應,有時采用一端固定鉸支座、一端水平滑動支座的約束條件,這樣對于張弦梁結構,沿索方向的支座相對移動使索內應力變化很大,圖8、圖9分別為ElCentro波作用下兩種約束條件下索應力和跨中豎向位移的地震響應時程響應曲線。計算結果表明,ElCentro波作用時,考慮行波效應,結構的兩端均采用固定鉸支座時索應力響應峰值為95.6MPa,跨中豎向位移響應峰值為252.3mm;當采用一端鉸接一端水平滑動支座時,索應力響應峰值為11.2MPa,跨中豎向位移響應峰值為94.4mm。說明張弦梁結構對支座的約束條件很敏感。為了使結構的位移滿足規(guī)范要求,采用一端固定鉸、一端水平滑動支座時會增大結構的用鋼量。4地震波效應的影響(1)對于大跨度張弦梁結構,索內的預張力大小對結構的初始地震響應影響很大,施加的預張力越大,結構的初始地震響應越大。隨著內力重分布,地震響應趨于接近,與索內施加預張力大小無關。(2)當布置不同數(shù)目的撐桿,或者撐桿數(shù)目相同、位置不同時,張弦梁結構的地震響應峰值變化不大。所以,對于張弦梁結構,可以根據(jù)建筑要求確定撐桿的數(shù)目和位置。(3)行波效應對張弦梁結構地震響應的影響與地震波的頻率和傳播速度有