基于直接积分法的多维强震输入下结构地震反应分析

基于直接积分法的多维强震输入下结构地震反应分析

结构对结构的投资大，结构的共同特征突出。目前，中国对抗疲劳设计中的一些问题没有专门规定，需要进行研究和审查。在这种情况下，有必要深入研究这种共同问题。在文献中，结合中国的大型国内单次飞机库的结构特征和实际工程，对多遇地震下的弹性时程反应进行分析。在这项工作中，我们考虑到结构中存在罕见地震，并使用直接积分法对弹塑性动态变化进行了分析，并比较了单、双向地震中的结构力、变形和变形破坏。在研究中，三向地震中的三向地震影响对大跨飞机库结构的影响。1工程概论和有限预算建模1.1管网架和后角柱的设置本机库为单跨大型维修机库,平面尺寸156.76m×85.5m.结构形式为前端进机一侧大门全部敞开,顶部设三层钢桁架反梁,屋盖采用斜放四角锥三层钢管网架,与大门开口边钢桁架结合,由三边混凝土柱列支承.共设支承柱24根,采用C40混凝土,其中大门钢桁架两端均设2根大门柱,采用3.0m×2.5m矩形空心截面,壁厚400mm;2根后角柱为1.6m×1.6m矩形截面;其余18根柱均为1.6m×1.0m矩形截面.左右两侧柱列中部各设置一个柱间支撑节间,后柱列设置两个柱间支撑节间.该机库设计安全等级为一级,使用年限50a,7度抗震设防,地震分组为第一组,地震加速度为0.1g,Ⅳ类场地.1.2机库模型确定采用SAP2000有限元分析软件对机库整体结构建立杆系有限元分析模型.各支承柱均按截面实际配筋进行设置,混凝土材料考虑刚度折减;屋盖网架及大门桁架杆件均按实际截面设置,采用Q345钢;柱间横撑及斜撑依据其截面特性以General类型截面设置.混凝土支承柱与基础采用刚接,与屋盖结构的连接采用铰接,大门处钢桁架中上、下弦杆的连接设为刚接,其余网架及大门桁架杆件均采用铰接.罕遇地震分析时,结构阻尼比取0.05.质量源取恒荷载和0.5倍雪荷载.机库模型侧视图、后视图及柱编号见图1.坐标系取为:X轴平行于大门桁架跨度方向;Y轴平行于机库进深方向;Z轴为竖向.位移Ui和力Ni的下标i表示沿i轴方向,力矩Mi的下标i表示绕i轴方向.1.3承载力和变形能力在SAP2000有限元分析软件中,结构材料的塑性变形影响是通过设置在杆件上集中塑性铰来考虑.图2为塑性铰的力(包括轴力和弯矩)-位移(包括轴向变形和转角)关系曲线的骨架线.纵坐标Q为广义力,Qy为广义屈服力,包括力和弯矩;横坐标为广义位移,包括位移Δ和转角θ.图中,AB段为弹性段,B点为塑性铰的屈服点,C点为塑性铰的极限承载力,D点和E点反映了塑性铰的残余承载力和变形能力.其中,在B、C点之间定义了3个状态控制点,IO(immediateoccupancy)表示可立即使用;LS(lifesafety)为生命安全点,表示可修但维修费用较高,CP(collapseprevention)为防止倒塌点,表示结构已不可修.本工程中,屋盖部位杆件主要受轴力作用,而下部混凝土支承柱列同时受轴力和双向弯矩作用.因此在建立有限元分析模型时,屋盖部位杆件采用轴力铰(P铰),下部混凝土柱列则采用弯矩铰(PMM铰).计算构件截面的屈服时,均采用材料强度标准值.机库屋盖部位为钢结构,因此P铰采用软件中默认的钢构件铰属性,设在杆件的一端,其各变形控制参数根据FEMA356确定.下部混凝土柱的PMM铰均设置在柱底,采用自定义铰属性,参数根据ATC-40确定.表1中列出了本分析模型P铰、PMM铰的参数,其中弯矩、轴力和变形均为归一化的数值,转角为塑性转角,单位为弧度.屋盖部位杆件设置塑性铰主要依据基本烈度及罕遇地震下的弹性分析结果,取应力比大于0.8的所有杆件,共设515个P铰,均在杆件端部.24根支承柱柱底全部设置PMM铰.柱间斜撑长细比较大,考虑结构受力的最不利情况,在模型中对其设定拉压极限比限制,使之在动力荷载下受压时基本不参与工作.2加速度时程的计算根据机库所处上海地区的场地类型、结构自振周期等实际情况,经试算,选择了唐山地震天津医院南北波(时间间隔0.01s,时长19.19s.简称TJ波)、Parkfield-90波(时间间隔0.02s,时长40.00s.简称PF波)两条天然波和上海人工波4(见图3.时间间隔0.01s,时长40.95s.简称SH4波),共3条地震波的加速度时程.根据上海市抗震规程规定,上海地区罕遇地震峰值为200cm/s2,故计算时按此修正了原地震加速度时程的幅值.对于上述3条地震波,在考虑单向地震时分别计算了地震波沿X、Y向单向输入的情况;在考虑三向地震时分别计算了地震波沿X向为主三向输入(ax∶ay∶az=1∶0.85∶0.65)和沿Y向为主三向输入(ax∶ay∶az=0.85∶1∶0.65)的情况.3弹性支架分布及发展分析3.1柱并侧柱铰塑性发展程度tj波三向输入表2为大震下单向与三向地震作用时机库支承柱柱底塑性铰的出铰情况统计.3条地震波下结构地震反应大小有明显差异,总体上TJ波和SH4波下整体出铰较为严重,PF波下出铰较少.由表2可见,X向单向输入时后柱列塑性铰发展程度较严重,两侧柱列出铰少.Y向单向输入时左右两侧柱列出铰较严重,而后柱列出铰少.分别沿X、Y向为主三向输入时,两侧及后柱列出现塑性铰均较多,结构损伤部位明显增加.综合比较X、Y向为主输入时各柱出铰的不利情况,与单向地震相比,三向地震作用时角柱附近柱列塑性损伤总体上有所加剧.其中,SH4波三向输入时,左后角柱处增加一个塑性铰;TJ波三向输入时右后角柱及左侧临近角柱的3个柱铰塑性发展程度均有加深;PF波三向输入时后角柱旁的两后柱均出铰.其余左右两侧柱列在三向地震下塑性发展程度也有所变化,规律不明显,如SH4波三向输入时柱5和柱19塑性发展程度均降低,柱20塑性发展程度加深,TJ波三向输入时左右两侧均有个别柱出铰程度加剧,而PF波三向输入时左侧门柱未出铰.后侧中部柱塑性铰出铰数量和塑性铰发展程度基本相同.不同地震波三向输入时对结构塑性损伤的影响有时差别较大,本文所选的3条地震波中,TJ波三向地震输入对结构的影响最显著,塑性铰发展程度增加最严重.3.2塑性铰类型分布表3为大震下单向、三向地震作用时结构上部屋盖各部位杆件出铰数量及塑性铰发展程度的统计,其中“()”内数字为达到塑性铰该发展阶段的塑性铰数量.由表3可见,X向为主输入时,三向地震作用与单向地震作用相比,从数量上分析,除大门桁架未出铰外,各部位塑性铰数量总体上都有一定增加(SH4波上弦、中弦、下弦及斜杆部位塑性铰数量均增加;TJ波上弦、中弦、下弦塑性铰数量增加;PF波上弦、下弦塑性铰数量增加).从塑性铰发展程度看,三向地震下个别塑性铰发展程度加深,进入第2阶段甚至第3阶段.Y向为主输入时,三向地震作用与单向地震作用相比,从数量上分析,除大门桁架和网架斜杆部位外,上弦、中弦、下弦部位塑性铰数量总体上都有一定增加(SH4波下,上弦、中弦、下弦塑性铰数量均有一定增加;TJ波下,上弦、中弦、下弦塑性铰数量增加最显著;PF波作用下上弦和下弦各增加1个塑性铰).从塑性铰发展程度分析,三向地震作用下变化不大.因此,总体上屋盖部位受三向地震作用影响比较明显,塑性铰数量明显增加,但是绝大部分塑性铰发展程度都处于刚进入屈服阶段,只有个别塑性铰发展程度有一定加深,进入第2或第3阶段.不同地震波及不同方向输入下三向地震的影响有一定差别,本文的3条地震波作用中,以TJ波Y向为主三向输入时影响最为显著.4表面积、结构力学和变形分析4.1向输入时柱顶侧移的变化图4、图5分别为地震波沿X、Y向为主的单向、三维输入时各柱顶主方向水平峰值位移Ux、Uy比较.从图4可见,X向为主三向输入时,SH4波和TJ波下,左侧柱列前端和右后角柱附近柱顶侧移有一定增加,其中TJ波作用下增加最为明显,其余部位侧移变化不明显.而PF波三向输入时各柱柱顶侧移反而比水平单向输入时有所减小.从图5可见,Y向为主三向输入时,SH4波下两侧柱列侧移均有一定增加,TJ波下,对称轴左侧柱列增加显著,右侧柱列侧移变化较小.而PF波下,三向输入时各柱侧移比水平单向输入时有一定减小.表4统计了大震下单向、三向地震输入下与主输入方向对应的最大柱顶侧移、所在柱的位置及三向与单向相比的最大侧移的增幅.在三向输入的情况下,对于主方向侧移,TJ波下2方向最大侧移均有增加,且以Y向为主输入时的增幅最显著;PF波下则最大侧移有一定下降;SH4波X向为主输入时最大侧移明显增加,而Y向为主输入时略有减小.对于最大侧移出现的位置,X向最大侧移一般都出现在前端大门柱柱顶,而Y向最大侧移在单向地震下都出现在后柱列中部而三向输入时则往往出现在角柱附近.从3条波的平均值分析,三向输入时,总体上主方向最大侧移略有增加.4.2向地震作用下各柱的弯矩变化与单向地震下相比,多维地震下,柱内力(包括弯矩、剪力、轴力)均存在明显的变化.考虑到地震轴力与静力下的轴力相比较小,在抗震设计中,更关注柱底弯矩和剪力.以下主要通过各个柱柱底弯矩的变化分析三向地震作用对结构的影响.剪力的变化规律与弯矩相似.图6、图7分别为地震波沿X、Y向为主的单向、三向输入时各柱柱底主方向最大弯矩My、Mx比较.对于X向为主三向地震输入时主方向弯矩My(见图6),从弯矩值增加量分析,SH4波和TJ波下均为左侧门柱的My增加量较大;从增加幅度分析,SH4波和TJ波下左侧柱列的弯矩增幅相对较大,其中左侧6号柱增幅最大,分别为22%和30%.PF波三向地震下各柱弯矩都比单向下略有减小.对于Y向为主三向地震输入时主方向弯矩Mx(见图7),从弯矩值增加量分析,SH4波和TJ波下前端大门柱增加较明显,其余柱列增加量相对较小;从增加幅度分析,SH4波下9号柱(左后角柱附近)增幅最大约为14%,前端和左后角柱附近增幅总体较大,TJ波下15号柱(右后角柱附近)增幅最大约为21%,后侧两角柱附近及左侧门柱附近增幅相对较大.PF波三向地震作用下各柱弯矩均比单向下有所减小,左侧减小幅度略大.表5统计了3条波单向、三向输入情况下大门柱柱底最大弯矩、所在柱的位置及三向与单向相比最大弯矩值的增幅.对于地震波沿X向为主三向输入时主方向弯矩My,SH4波下增幅最大(约5.89%);TJ波下略有增加(约2.57%).只有PF波下减少约5.65%.对于地震波沿Y向为主三向输入时主方向弯矩Mx,TJ波下增大最显著,约增大15.1%.SH4波下增大约5.8%.而PF波下则减小约8.1%.从表中最大弯矩所处位置可见,最大弯矩My均出现在最前端大门柱柱底,而最大弯矩Mx则均出现在内侧第2根大门柱柱底.从3条地震波的平均值分析,地震三向输入时主方向弯矩总体上有一定增加,其中Mx增幅较明显.总结以上分析可知,三向地震作用下,主方向侧移和弯矩总体上有一定增加;不同部位的变化幅度不同,其中后角柱及前端门柱附近部位侧移和弯矩总体上受影响较大;地震波沿Y向为主输入时主方向的侧移和弯矩变化更为明显.三向地震作用的影响与所选用的地震波也有较大关系,TJ波下结构最大柱弯矩及侧移均比单向地震作用时明显增大,但是PF波下则均比单向时明显减小.4.3屋顶盖各部位杆件内力标志值的总体比较屋盖部位杆件数量较多,定义地震组合内力标志值(简称标志值)A=∑N2i−−−−−−√∑Νi2,其中Ni为某一部位范围内第i根杆件的峰值地震组合内力,求和范围为该部位杆件.表6通过标志值对屋盖各部位杆件在单向、三向大震作用下杆件内力标志值进行总体比较.表中A1为X向、Y向单向地震作用下标志值中的较大值,A3为X向、Y向地震为主三向作用下标志值中的较大值,“()”内数字为该部位所有杆件数量.由表6可见,三向地震作用下,各部位杆件内力标志值与单向地震作用下相比均有一定增大,其中受竖向地震影响最大的大门桁架部位杆件内力增大最为显著(3要波平均标志值增加约22%),其次是网架下弦(3条波平均增加约18%),网架上弦、中弦和斜杆平均增加14%～15%.5多维输入与地震内力1)结构两侧及后侧支承柱柱底塑性铰出铰均较多,与单向地震作用相比,角柱