車站大跨度鋼結(jié)構(gòu)雨棚彈塑性時(shí)程分析

第39卷第12 建筑結(jié) 徐福江,甄偉,趙明,北京市建筑設(shè)計(jì)研究院,[摘要]廣州新客站無(wú)站臺(tái)柱雨棚為復(fù)雜大跨度預(yù)應(yīng)力索拱空間鋼結(jié)構(gòu)。采用有限元軟件MDSGen對(duì)包含下部橋梁結(jié)構(gòu)和上部鋼結(jié)構(gòu)的整體模型進(jìn)行了罕遇地震作用下三向地震波輸入的彈塑性時(shí)程分析,研究了結(jié)構(gòu)的位移、,考察了屋頂鋼結(jié)構(gòu)的彈塑性發(fā)展歷程。分析結(jié)果表明,無(wú)站臺(tái)柱雨棚鋼結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下進(jìn)入塑性的程度很小,未發(fā)生大的變形,具有良好的抗震性能。[關(guān)鍵詞]廣州新客站;復(fù)雜大跨度空間結(jié)構(gòu);彈塑性時(shí)程分析;ElastoplastictimehistoryanalysisonnonplatformcolumncanopyofNewGuangzhouRailwayStationXuFujiang,ZhenWei,ZhaoMing,LiuJialingAbstract:TheroofstructureofnonplatformcolumncanopyofNewGuangzhouRailwayStationisacomplexlargespanspacestructure.WithFEManalysisprogramMIDASGen,elastoplastictimehistoryanalysisoftheintegralstructuressubjectedtothreedimensionalrareearthquakesisconducted,anddynamicresponsesofthedisplacement,stressandforcearestudied,andtheprogressofelastoplasticdevelopmentisresearched.Theresultsshowthattheplasticdegreeofnonplatformcolumnstructureunderrareearthquakeisverylowandthedeformationissmall,andtheseismicperformanceisgood. 113萬(wàn)m2,由對(duì)稱的南北兩部分組成。每一部分東西向長(zhǎng)4218m南北向長(zhǎng)1256m,兩個(gè)長(zhǎng)站臺(tái)局部突出,長(zhǎng)1896m。無(wú)站臺(tái)柱雨棚鋼屋蓋為大跨度空間結(jié)構(gòu),長(zhǎng)棚中部鋼柱均為分叉柱,直接支承在剛度較大的鐵路橋墩上,兩端則采用斜撐柱,支撐在四角混凝土結(jié)構(gòu)上12。計(jì)算模型見(jiàn)圖1。為清楚地了解結(jié)構(gòu)的薄弱性能進(jìn)行控制,采用MIDASGen3軟件對(duì)廣州新客站 21桿等采用桁架單元模擬拉索采用索單元模擬。模擬,

大部分構(gòu)件為空間桿件,并無(wú)明顯的主、次彎矩之分,而且主要結(jié)構(gòu)骨架為拱形結(jié)構(gòu)軸力對(duì)構(gòu)件的受力狀 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模效應(yīng)的三折線隨動(dòng)強(qiáng)化模型,第一屈服后模量取為初態(tài)影響很大因此

10%,第二屈服后模量取為初始彈性模2%2)。構(gòu)件的屈服荷載均由程序根據(jù)材料由于橋墩剛度較大,且考察重點(diǎn)為上部鋼屋蓋的彈塑性性能,因此分析中假定混凝土構(gòu)件保持彈性狀態(tài)?？紤]到計(jì)算時(shí)間問(wèn)題,未將所有鋼構(gòu)件均施加彈塑性特性。在分析前首先進(jìn)行了大震彈性時(shí)程分析,,博士,高級(jí)工程師Ealxuj@badcocn 2由于結(jié)構(gòu)在遭遇地震作用前,重力荷載已作用在結(jié)構(gòu)本身,為更合理地分析構(gòu)件的受力和結(jié)構(gòu)整體抗震性能,在時(shí)程分析前將重力荷載代表值施加在結(jié)構(gòu)上。重力荷載代表值取為10恒載+05活載。對(duì)拉索單元施加初拉力以模擬拉索的實(shí)際張拉情況。22波TH1和TH2)和一組人工波。地震波參數(shù)均滿足地震波主水平方向的地面加速度時(shí)程曲線見(jiàn)圖3。水平方向和豎向的峰值加速度按1085065的比例進(jìn)行調(diào)整。通常,輸入地面加速度曲線的持續(xù)時(shí)間為5~10倍20s。由于地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告中罕遇地震的最大地面加速度為200gal,因此,[的規(guī)定,將主水平方向的加速度曲線峰值調(diào)整為220gal。分析時(shí),分別以X向和Y向?yàn)橹魉椒较蜻M(jìn)行計(jì)算。23時(shí)程分析時(shí)采用瑞利阻尼,質(zhì)量因子取為0192剛度因子取為00059。采用這樣的參數(shù)得到結(jié)構(gòu)前102%~4%之間較符合實(shí)際。動(dòng)力分析采用Newmark積分方法積分參數(shù)05,=025,對(duì)應(yīng)的逐步積分法為平均常加速度法。考慮幾何和材料的非線性計(jì)算中采用NewtonRaphson迭代計(jì)算方法,收斂標(biāo)準(zhǔn)為位移標(biāo)準(zhǔn)取值為0001。 31將罕遇地震波輸入不考慮結(jié)構(gòu)的材料非線性進(jìn)時(shí)程分析結(jié)果對(duì)比可以考察結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性的程度具體結(jié)果見(jiàn)表1,2。其中

1中可以看出,彈性時(shí)程分析與彈塑性分析的結(jié)果基本一致這也說(shuō)明了結(jié)構(gòu)主體尤其是主要承重構(gòu)件在罕遇地震作用下基本保持彈性結(jié)構(gòu)整體進(jìn)入塑性的程度很小。限于篇幅,主要討論地震反應(yīng)較大的天然波1作用的結(jié)果,X向?yàn)橹魉椒较颉?10010310188886677776699989894999332在天然波1作用下,X向最大位移絕對(duì)值為315mm發(fā)生在屋頂結(jié)構(gòu)的角部節(jié)點(diǎn)19157處Y向最大266mm,發(fā)生在中部節(jié)點(diǎn)16335處Z向最大位移為397mm,發(fā)生在第二跨挑檐節(jié)點(diǎn)18222處,14所33圖5為所有未施加塑性鉸的梁?jiǎn)卧膽?yīng)力包絡(luò)圖,從中可以看出,未施加塑性鉸的上部鋼結(jié)構(gòu)梁?jiǎn)卧?/p>

樣,所有未施加塑性鉸的鋼結(jié)構(gòu)桁架單元的最大組合力也都很低,均未屈服。這表明允許部分構(gòu)件進(jìn)入塑在地震作用下拉索應(yīng)力的最大值為1174MPa,已超出設(shè)計(jì)應(yīng)力620MPa)89但未達(dá)到拉索的極限應(yīng)力1670MPa。有部分拉索退出了工作。但拱身單元均未屈服,即索拱結(jié)構(gòu)均未出現(xiàn)整體破壞。343為彈塑性時(shí)程分析與彈性時(shí)程分析中典型截服,造成內(nèi)力最大值小于彈性分析結(jié)果(D85025)而如索拱等構(gòu)件本身未屈服但由于周邊構(gòu)件屈服而產(chǎn)生的內(nèi)力重分配,使得其彈塑性分析的內(nèi)力反而要大于彈性分析的結(jié)果。對(duì)于端部斜柱20050,構(gòu)件本身未屈服,但由于與其相連的桁架弦桿屈服而導(dǎo)致荷載無(wú)法增加,因此彈塑性分析得到的內(nèi)力比彈性分析的結(jié)果偏小較多,這也是結(jié)構(gòu)強(qiáng)柱弱梁的一種表現(xiàn)。圖6為典型端部斜柱構(gòu)件193351所示的彈塑性和彈性分析得到的內(nèi)力時(shí) 圖 圖4節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程曲 圖 彈性桿件應(yīng)力包絡(luò) 圖6構(gòu)件9335彎矩時(shí)程曲 表D1D1200D(1500~800)D2000D650D8505618189599112235在地震波作用的前期,構(gòu)件均保持彈性。以索拱結(jié)構(gòu)的豎向位移為主尤其雨棚邊部的懸挑構(gòu)件位移3s之后水平位移開(kāi)始逐漸加大,并與豎向位移疊加。各跨索拱的位移趨勢(shì)并不一致,而是呈波浪形運(yùn)動(dòng),在同向的地震波作用下,至756s時(shí),一根支撐邊跨索拱的分叉柱底部出現(xiàn)了塑性鉸7(a結(jié)構(gòu)也從此進(jìn)入了反應(yīng)最為強(qiáng)烈的784s,三根支撐邊跨索拱的桁架弦桿同時(shí)屈服,同時(shí),長(zhǎng)站臺(tái)端頭處的長(zhǎng)柱底部也出現(xiàn)了屈服(圖7(b。隨著地震動(dòng)的持續(xù)又陸續(xù)有幾根桁架弦桿屈948s,另一根長(zhǎng)站臺(tái)端頭的長(zhǎng)柱出現(xiàn)了屈服7(c然后,結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)逐漸加大基本達(dá)到了反應(yīng)的最大值,1204s,內(nèi)部一根鋼柱出現(xiàn)了屈服7d)。隨后塑性鉸并未繼續(xù)發(fā)展。在140s之后,雖然地震動(dòng)的輸入減小了很多,但結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)并未明顯減小。在170s之后結(jié)構(gòu)的反應(yīng)開(kāi)始逐漸減弱直至地震輸入結(jié)束。在地震動(dòng)輸入的整個(gè)過(guò)程中,結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性件數(shù)量較少,并且構(gòu)件進(jìn)入塑性的程度都較低,均為最低級(jí)別Level1,2倍。所有預(yù)應(yīng)力索拱的拱身構(gòu)件均未屈服,面內(nèi)支撐構(gòu)件也均未屈服。部分鋼柱的應(yīng)力較大,但由于采用了Q390GJ鋼材保證了構(gòu)件的強(qiáng)度也為結(jié)構(gòu)的整體抗 (1)結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下,

性的程度很小結(jié)構(gòu)未發(fā)生大的變形具有良好的抗震性能,可以實(shí)現(xiàn)大震不倒的設(shè)防目標(biāo)。(2)結(jié)構(gòu)主要的承重體系預(yù)應(yīng)力索拱結(jié)構(gòu)均未出