地震動作用下長跨長鋼結構地震響應研究

1結構體系及剛度石家莊國際博覽會由七個標準展廳、一個多功能展廳、一個會議中心和一個中央大廳組成。其中中央大廳東西向沿軸線長約800m，屬超長結構。根據《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)第5.1.2條第5款及條文解釋:對于平面投影長度大于300m的大跨空間結構，當下部支承結構為一整體、且與上部空間鋼結構側向剛度之比大于2時，可采用三向單點一致輸入計算地震作用?？紤]到本項目為7度Ⅲ類場地，且長度遠大于300m，為確保設計安全，對其進行了地震作用的多向、多點、多維輸入分析研究。2分析2.1基于大質量法的地震動多點、多維輸入分析隨著越來越多的平面超長大跨鋼結構建筑的興建，地震動多點多維輸入對大跨度鋼結構地震反應影響的研究也越來越成熟。以往的研究成果表明:對于平面尺寸超長結構有必要進行多點輸入地震反應分析。時程分析法由于具有作為確定性方法的諸多優點，成為地震動多點、多維輸入的基本方法。地震動的多點輸入可以采用虛擬激勵法、支座大質量法和支座大剛度法等。其中支座大質量法，即在需要施加加速度邊界條件的支座節點上附加大質量及施加相應的集中荷載。支座大質量法由于簡便實用且方便在通用有限元程序中實現，從而得到廣泛應用。本研究采用大型通用有限元軟件ANSYS14.0，利用支座大質量法實現地震動多點、多維輸入分析。本工程基底土層分布比較均勻，局部場地條件效應可不考慮，本次多點地震輸入分析主要考察行波效應。以往的震害經驗表明，地震時地面運動是多維的，在抗震設計中必須考慮地震動的多維性。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進行調整。分析假定地震波沿地表面以一定的速度傳播，各點波形不變，只是存在時間的滯后，即行波法。視波速下限取等效剪切波速180m/s(地震安評報告提供)，上限根據以往分析經驗取800m/s，在上、下限范圍內，取用400m/s。由于本項目平面布置的非正交性，分析考慮了3個地震波傳播方向(圖1)，每個傳播方向包括3個空間正交的地震動輸入分量。作為比較，還進行了同樣方式的單點多維輸入分析。計算具體確定的地震波傳播方向及地震動輸入分量如圖1所示，共計36種分析工況。2.2地震波的識別在進行多遇地震作用下地震波多向、多維、多點輸入彈性動力時程分析時，選用兩條實際地震記錄的地震波ElCentro波(E波)及Taft波(T波)及《工程場地地震安全性評價報告》提供的1條人工波(R波)。3條波的持續時間、場地條件等均符合規范要求。選用的3條地震波對應的反應譜見圖2。分析輸入的最大地震加速度為35cm/s2ㄢ2.3原模型的簡化能夠準確反映本項目結構布置的完整詳細計算模型(以下簡稱原模型)的數據量相當龐大，計算節點數70534個、單元數64808個。采用此模型進行多點地震輸入研究計算耗時相當長，以致無法在較短時間內對關鍵構件進行較為系統的研究。本項目主要關鍵構件為地上1層作為豎向支撐結構的樹形框架柱及Y形框架柱，因此將原模型進行簡化，簡化的方法是將原折板網架等代為具有不同于原結構材料的板狀實體并使用殼單元進行模擬分析，從而大大減少節點和單元數量。等代的條件為等代后的板在質量及剛度方面與原折板網架一致。剛度包括板平面內的軸向拉壓剛度、平面外的彎曲剛度及剪切剛度等。簡化后的計算模型如圖3所示，除折板網架外，原模型中諸如地下結構、地上豎向支撐結構、框架柱與折板網架間的撐桿以及折板網架間的空間倒三角聯系桁架等所有桿件均保留下來。簡化模型的節點數3462個、單元數3830個，數量比原模型大大減少。簡化模型計算得出的結構前6階振動模態的周期與原模型較為接近(表1)，前6階振型特征基本一致，均以水平振動為主。3分析的結果3.1結構的整體反應3.1.1原模型與簡化模型的對比圖4為X向人工波(波速800m/s)多點輸入下地上鋼結構部分的基底剪力隨時間的反應。從圖中首先可以看出，簡化模型與原模型給出的單點一致輸入基底剪力反應比較接近，且兩者給出的最大基底剪力與反應譜結果也基本一致，簡化模型給出的分析結果可靠。由于行波效應，支座各點輸入的地震動具有不同步性，即各點達到峰值的時間不同，多點輸入下基底剪力僅為單點一致輸入的44.52%。3.1.2整體扭轉效應以往的研究發現，地震的多點輸入會放大結構的整體扭轉效應。對地上3段鋼結構的整體扭轉效應進行了考察。圖5為1段結構在X向人工波(波速400m/s)多點地震輸入下的整體扭轉角反應。從圖中可以看出多點地震輸入下的整體扭轉角最大值明顯大于單點一致輸入(約為1.49倍)。2段和3段的反應與1段類似。3.2行波效應的影響構件內力是多點輸入地震反應分析的主要評價指標。由于本項目混凝土支承結構僅為1層且位于地下，行波效應對其構件的影響不列入考察的范圍。本研究主要考察行波效應對地上鋼結構樹形柱和Y形柱、框架柱與折板網架間的撐桿以及折板網架間的空間倒三角聯系桁架桿件的軸力、彎矩及剪力的影響。在分析構件內力時，定義超載單元為多點輸入計算結果與單點輸入計算結果的比值超過1.0的單元，這一比值稱作超載比。3.2.1地上鋼結構平均《力學性能》平均《內壓力》平均《平均高值的計算通過采用180,400,800,1200m/s四組不同波速，對比研究了波速對地上鋼結構針對不同內力統計的所有超載單元的平均超載比的影響，結果如圖6所示。由圖可知，針對軸力、My及Mz三組不同內力得出的規律基本一致，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不同熱設計模型的熱性能考察分析結果發現有些構件的內力相對于其承載力來說絕對值很小，但其超載比可能卻很大。統計所有超載單元的平均超載比時，每一單元的超載比應按其內力水平考慮一定的權重，否則將導致統計的平均超載比值過大。如表2所示，在濾掉統計內力所致的應力比小于0.005的構件后，按Mz統計濾掉了約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，其絕對值很小，超載比的離散性較大。除特別指出外，以下關于平均超載比均按濾掉統計內力所致應力比小于0.005的超載單元后的統計結果。3.2.3鋼結構運行特征圖7為波速為400m/s的人工波多點輸入下軸力超載單元的統計情況。所有的地上鋼結構桿件中超載單元數為553個，占單元總數的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構兩端及周邊區域。表3給出了各段鋼結構各類結構構件的平均超載比統計結果。統計方法為3個波速結果取平均值，3個地震動輸入方向取最大值，且均按濾掉考察內力所致應力比小于0.005的超載單元后進行統計。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:對于本項目這類大柱網多點支承中小跨度網殼，采用多點輸入后，由于柱頂內力的改變，對于網殼支承點位置附近桿件可能產生一定影響，對跨中網殼桿件則不會產生很大影響。多點輸入對折板網架桿件內力的影響可以間接參考支承網殼的撐桿內力的計算結果。由于網架桿件多為軸力桿件，其超載比可以參考表3中關于撐桿軸力的超載比，并按1.1取值。4地上鋼結構單元平均《校核》平均超力比的確定采用大質量法對石家莊國際會展中心中央大廳進行了地震作用的多向、多點、多維輸入分析研究，分析結果表明:(1)地震動多點輸入明顯降低了地上整體鋼結構的基底剪力反應，增大了各段鋼結構的扭轉反應。(2)濾掉考察內力所致應力較小的超載單元可以得到較為合理的平均超載比。(3)除折板網架外，地上鋼結構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段聯系桁架的軸力、My,Qy以及3段框架柱與網架間撐桿的雙向剪力的平均超載比大于或等于1.3ㄢ(5)折板網架桿件內力的超載比可以參考框