基于直接積分法的多維強震輸入下結(jié)構(gòu)地震反應分析

基于直接積分法的多維強震輸入下結(jié)構(gòu)地震反應分析

結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)的投資大，結(jié)構(gòu)的共同特征突出。目前，中國對抗疲勞設(shè)計中的一些問題沒有專門規(guī)定，需要進行研究和審查。在這種情況下，有必要深入研究這種共同問題。在文獻中，結(jié)合中國的大型國內(nèi)單次飛機庫的結(jié)構(gòu)特征和實際工程，對多遇地震下的彈性時程反應進行分析。在這項工作中，我們考慮到結(jié)構(gòu)中存在罕見地震，并使用直接積分法對彈塑性動態(tài)變化進行了分析，并比較了單、雙向地震中的結(jié)構(gòu)力、變形和變形破壞。在研究中，三向地震中的三向地震影響對大跨飛機庫結(jié)構(gòu)的影響。1工程概論和有限預算建模1.1管網(wǎng)架和后角柱的設(shè)置本機庫為單跨大型維修機庫,平面尺寸156.76m×85.5m.結(jié)構(gòu)形式為前端進機一側(cè)大門全部敞開,頂部設(shè)三層鋼桁架反梁,屋蓋采用斜放四角錐三層鋼管網(wǎng)架,與大門開口邊鋼桁架結(jié)合,由三邊混凝土柱列支承.共設(shè)支承柱24根,采用C40混凝土,其中大門鋼桁架兩端均設(shè)2根大門柱,采用3.0m×2.5m矩形空心截面,壁厚400mm;2根后角柱為1.6m×1.6m矩形截面;其余18根柱均為1.6m×1.0m矩形截面.左右兩側(cè)柱列中部各設(shè)置一個柱間支撐節(jié)間,后柱列設(shè)置兩個柱間支撐節(jié)間.該機庫設(shè)計安全等級為一級,使用年限50a,7度抗震設(shè)防,地震分組為第一組,地震加速度為0.1g,Ⅳ類場地.1.2機庫模型確定采用SAP2000有限元分析軟件對機庫整體結(jié)構(gòu)建立桿系有限元分析模型.各支承柱均按截面實際配筋進行設(shè)置,混凝土材料考慮剛度折減;屋蓋網(wǎng)架及大門桁架桿件均按實際截面設(shè)置,采用Q345鋼;柱間橫撐及斜撐依據(jù)其截面特性以General類型截面設(shè)置.混凝土支承柱與基礎(chǔ)采用剛接,與屋蓋結(jié)構(gòu)的連接采用鉸接,大門處鋼桁架中上、下弦桿的連接設(shè)為剛接,其余網(wǎng)架及大門桁架桿件均采用鉸接.罕遇地震分析時,結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05.質(zhì)量源取恒荷載和0.5倍雪荷載.機庫模型側(cè)視圖、后視圖及柱編號見圖1.坐標系取為:X軸平行于大門桁架跨度方向;Y軸平行于機庫進深方向;Z軸為豎向.位移Ui和力Ni的下標i表示沿i軸方向,力矩Mi的下標i表示繞i軸方向.1.3承載力和變形能力在SAP2000有限元分析軟件中,結(jié)構(gòu)材料的塑性變形影響是通過設(shè)置在桿件上集中塑性鉸來考慮.圖2為塑性鉸的力(包括軸力和彎矩)-位移(包括軸向變形和轉(zhuǎn)角)關(guān)系曲線的骨架線.縱坐標Q為廣義力,Qy為廣義屈服力,包括力和彎矩;橫坐標為廣義位移,包括位移Δ和轉(zhuǎn)角θ.圖中,AB段為彈性段,B點為塑性鉸的屈服點,C點為塑性鉸的極限承載力,D點和E點反映了塑性鉸的殘余承載力和變形能力.其中,在B、C點之間定義了3個狀態(tài)控制點,IO(immediateoccupancy)表示可立即使用;LS(lifesafety)為生命安全點,表示可修但維修費用較高,CP(collapseprevention)為防止倒塌點,表示結(jié)構(gòu)已不可修.本工程中,屋蓋部位桿件主要受軸力作用,而下部混凝土支承柱列同時受軸力和雙向彎矩作用.因此在建立有限元分析模型時,屋蓋部位桿件采用軸力鉸(P鉸),下部混凝土柱列則采用彎矩鉸(PMM鉸).計算構(gòu)件截面的屈服時,均采用材料強度標準值.機庫屋蓋部位為鋼結(jié)構(gòu),因此P鉸采用軟件中默認的鋼構(gòu)件鉸屬性,設(shè)在桿件的一端,其各變形控制參數(shù)根據(jù)FEMA356確定.下部混凝土柱的PMM鉸均設(shè)置在柱底,采用自定義鉸屬性,參數(shù)根據(jù)ATC-40確定.表1中列出了本分析模型P鉸、PMM鉸的參數(shù),其中彎矩、軸力和變形均為歸一化的數(shù)值,轉(zhuǎn)角為塑性轉(zhuǎn)角,單位為弧度.屋蓋部位桿件設(shè)置塑性鉸主要依據(jù)基本烈度及罕遇地震下的彈性分析結(jié)果,取應力比大于0.8的所有桿件,共設(shè)515個P鉸,均在桿件端部.24根支承柱柱底全部設(shè)置PMM鉸.柱間斜撐長細比較大,考慮結(jié)構(gòu)受力的最不利情況,在模型中對其設(shè)定拉壓極限比限制,使之在動力荷載下受壓時基本不參與工作.2加速度時程的計算根據(jù)機庫所處上海地區(qū)的場地類型、結(jié)構(gòu)自振周期等實際情況,經(jīng)試算,選擇了唐山地震天津醫(yī)院南北波(時間間隔0.01s,時長19.19s.簡稱TJ波)、Parkfield-90波(時間間隔0.02s,時長40.00s.簡稱PF波)兩條天然波和上海人工波4(見圖3.時間間隔0.01s,時長40.95s.簡稱SH4波),共3條地震波的加速度時程.根據(jù)上海市抗震規(guī)程規(guī)定,上海地區(qū)罕遇地震峰值為200cm/s2,故計算時按此修正了原地震加速度時程的幅值.對于上述3條地震波,在考慮單向地震時分別計算了地震波沿X、Y向單向輸入的情況;在考慮三向地震時分別計算了地震波沿X向為主三向輸入(ax∶ay∶az=1∶0.85∶0.65)和沿Y向為主三向輸入(ax∶ay∶az=0.85∶1∶0.65)的情況.3彈性支架分布及發(fā)展分析3.1柱并側(cè)柱鉸塑性發(fā)展程度tj波三向輸入表2為大震下單向與三向地震作用時機庫支承柱柱底塑性鉸的出鉸情況統(tǒng)計.3條地震波下結(jié)構(gòu)地震反應大小有明顯差異,總體上TJ波和SH4波下整體出鉸較為嚴重,PF波下出鉸較少.由表2可見,X向單向輸入時后柱列塑性鉸發(fā)展程度較嚴重,兩側(cè)柱列出鉸少.Y向單向輸入時左右兩側(cè)柱列出鉸較嚴重,而后柱列出鉸少.分別沿X、Y向為主三向輸入時,兩側(cè)及后柱列出現(xiàn)塑性鉸均較多,結(jié)構(gòu)損傷部位明顯增加.綜合比較X、Y向為主輸入時各柱出鉸的不利情況,與單向地震相比,三向地震作用時角柱附近柱列塑性損傷總體上有所加劇.其中,SH4波三向輸入時,左后角柱處增加一個塑性鉸;TJ波三向輸入時右后角柱及左側(cè)臨近角柱的3個柱鉸塑性發(fā)展程度均有加深;PF波三向輸入時后角柱旁的兩后柱均出鉸.其余左右兩側(cè)柱列在三向地震下塑性發(fā)展程度也有所變化,規(guī)律不明顯,如SH4波三向輸入時柱5和柱19塑性發(fā)展程度均降低,柱20塑性發(fā)展程度加深,TJ波三向輸入時左右兩側(cè)均有個別柱出鉸程度加劇,而PF波三向輸入時左側(cè)門柱未出鉸.后側(cè)中部柱塑性鉸出鉸數(shù)量和塑性鉸發(fā)展程度基本相同.不同地震波三向輸入時對結(jié)構(gòu)塑性損傷的影響有時差別較大,本文所選的3條地震波中,TJ波三向地震輸入對結(jié)構(gòu)的影響最顯著,塑性鉸發(fā)展程度增加最嚴重.3.2塑性鉸類型分布表3為大震下單向、三向地震作用時結(jié)構(gòu)上部屋蓋各部位桿件出鉸數(shù)量及塑性鉸發(fā)展程度的統(tǒng)計,其中“()”內(nèi)數(shù)字為達到塑性鉸該發(fā)展階段的塑性鉸數(shù)量.由表3可見,X向為主輸入時,三向地震作用與單向地震作用相比,從數(shù)量上分析,除大門桁架未出鉸外,各部位塑性鉸數(shù)量總體上都有一定增加(SH4波上弦、中弦、下弦及斜桿部位塑性鉸數(shù)量均增加;TJ波上弦、中弦、下弦塑性鉸數(shù)量增加;PF波上弦、下弦塑性鉸數(shù)量增加).從塑性鉸發(fā)展程度看,三向地震下個別塑性鉸發(fā)展程度加深,進入第2階段甚至第3階段.Y向為主輸入時,三向地震作用與單向地震作用相比,從數(shù)量上分析,除大門桁架和網(wǎng)架斜桿部位外,上弦、中弦、下弦部位塑性鉸數(shù)量總體上都有一定增加(SH4波下,上弦、中弦、下弦塑性鉸數(shù)量均有一定增加;TJ波下,上弦、中弦、下弦塑性鉸數(shù)量增加最顯著;PF波作用下上弦和下弦各增加1個塑性鉸).從塑性鉸發(fā)展程度分析,三向地震作用下變化不大.因此,總體上屋蓋部位受三向地震作用影響比較明顯,塑性鉸數(shù)量明顯增加,但是絕大部分塑性鉸發(fā)展程度都處于剛進入屈服階段,只有個別塑性鉸發(fā)展程度有一定加深,進入第2或第3階段.不同地震波及不同方向輸入下三向地震的影響有一定差別,本文的3條地震波作用中,以TJ波Y向為主三向輸入時影響最為顯著.4表面積、結(jié)構(gòu)力學和變形分析4.1向輸入時柱頂側(cè)移的變化圖4、圖5分別為地震波沿X、Y向為主的單向、三維輸入時各柱頂主方向水平峰值位移Ux、Uy比較.從圖4可見,X向為主三向輸入時,SH4波和TJ波下,左側(cè)柱列前端和右后角柱附近柱頂側(cè)移有一定增加,其中TJ波作用下增加最為明顯,其余部位側(cè)移變化不明顯.而PF波三向輸入時各柱柱頂側(cè)移反而比水平單向輸入時有所減小.從圖5可見,Y向為主三向輸入時,SH4波下兩側(cè)柱列側(cè)移均有一定增加,TJ波下,對稱軸左側(cè)柱列增加顯著,右側(cè)柱列側(cè)移變化較小.而PF波下,三向輸入時各柱側(cè)移比水平單向輸入時有一定減小.表4統(tǒng)計了大震下單向、三向地震輸入下與主輸入方向?qū)淖畲笾攤?cè)移、所在柱的位置及三向與單向相比的最大側(cè)移的增幅.在三向輸入的情況下,對于主方向側(cè)移,TJ波下2方向最大側(cè)移均有增加,且以Y向為主輸入時的增幅最顯著;PF波下則最大側(cè)移有一定下降;SH4波X向為主輸入時最大側(cè)移明顯增加,而Y向為主輸入時略有減小.對于最大側(cè)移出現(xiàn)的位置,X向最大側(cè)移一般都出現(xiàn)在前端大門柱柱頂,而Y向最大側(cè)移在單向地震下都出現(xiàn)在后柱列中部而三向輸入時則往往出現(xiàn)在角柱附近.從3條波的平均值分析,三向輸入時,總體上主方向最大側(cè)移略有增加.4.2向地震作用下各柱的彎矩變化與單向地震下相比,多維地震下,柱內(nèi)力(包括彎矩、剪力、軸力)均存在明顯的變化.考慮到地震軸力與靜力下的軸力相比較小,在抗震設(shè)計中,更關(guān)注柱底彎矩和剪力.以下主要通過各個柱柱底彎矩的變化分析三向地震作用對結(jié)構(gòu)的影響.剪力的變化規(guī)律與彎矩相似.圖6、圖7分別為地震波沿X、Y向為主的單向、三向輸入時各柱柱底主方向最大彎矩My、Mx比較.對于X向為主三向地震輸入時主方向彎矩My(見圖6),從彎矩值增加量分析,SH4波和TJ波下均為左側(cè)門柱的My增加量較大;從增加幅度分析,SH4波和TJ波下左側(cè)柱列的彎矩增幅相對較大,其中左側(cè)6號柱增幅最大,分別為22%和30%.PF波三向地震下各柱彎矩都比單向下略有減小.對于Y向為主三向地震輸入時主方向彎矩Mx(見圖7),從彎矩值增加量分析,SH4波和TJ波下前端大門柱增加較明顯,其余柱列增加量相對較小;從增加幅度分析,SH4波下9號柱(左后角柱附近)增幅最大約為14%,前端和左后角柱附近增幅總體較大,TJ波下15號柱(右后角柱附近)增幅最大約為21%,后側(cè)兩角柱附近及左側(cè)門柱附近增幅相對較大.PF波三向地震作用下各柱彎矩均比單向下有所減小,左側(cè)減小幅度略大.表5統(tǒng)計了3條波單向、三向輸入情況下大門柱柱底最大彎矩、所在柱的位置及三向與單向相比最大彎矩值的增幅.對于地震波沿X向為主三向輸入時主方向彎矩My,SH4波下增幅最大(約5.89%);TJ波下略有增加(約2.57%).只有PF波下減少約5.65%.對于地震波沿Y向為主三向輸入時主方向彎矩Mx,TJ波下增大最顯著,約增大15.1%.SH4波下增大約5.8%.而PF波下則減小約8.1%.從表中最大彎矩所處位置可見,最大彎矩My均出現(xiàn)在最前端大門柱柱底,而最大彎矩Mx則均出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)第2根大門柱柱底.從3條地震波的平均值分析,地震三向輸入時主方向彎矩總體上有一定增加,其中Mx增幅較明顯.總結(jié)以上分析可知,三向地震作用下,主方向側(cè)移和彎矩總體上有一定增加;不同部位的變化幅度不同,其中后角柱及前端門柱附近部位側(cè)移和彎矩總體上受影響較大;地震波沿Y向為主輸入時主方向的側(cè)移和彎矩變化更為明顯.三向地震作用的影響與所選用的地震波也有較大關(guān)系,TJ波下結(jié)構(gòu)最大柱彎矩及側(cè)移均比單向地震作用時明顯增大,但是PF波下則均比單向時明顯減小.4.3屋頂蓋各部位桿件內(nèi)力標志值的總體比較屋蓋部位桿件數(shù)量較多,定義地震組合內(nèi)力標志值(簡稱標志值)A=∑N2i??????√∑Νi2,其中Ni為某一部位范圍內(nèi)第i根桿件的峰值地震組合內(nèi)力,求和范圍為該部位桿件.表6通過標志值對屋蓋各部位桿件在單向、三向大震作用下桿件內(nèi)力標志值進行總體比較.表中A1為X向、Y向單向地震作用下標志值中的較大值,A3為X向、Y向地震為主三向作用下標志值中的較大值,“()”內(nèi)數(shù)字為該部位所有桿件數(shù)量.由表6可見,三向地震作用下,各部位桿件內(nèi)力標志值與單向地震作用下相比均有一定增大,其中受豎向地震影響最大的大門桁架部位桿件內(nèi)力增大最為顯著(3要波平均標志值增加約22%),其次是網(wǎng)架下弦(3條波平均增加約18%),網(wǎng)架上弦、中弦和斜桿平均增加14%～15%.5多維輸入與地震內(nèi)力1)結(jié)構(gòu)兩側(cè)及后側(cè)支承柱柱底塑性鉸出鉸均較多,與單向地震作用相比,角柱