劉彩玲，劉　杰

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100;2.西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

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鋼框架結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力模型試驗(yàn)與原型對(duì)比的研究

劉彩玲1，劉杰2

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100;2.西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

摘要：以2層鋼框架結(jié)構(gòu)為模型，進(jìn)行了模型設(shè)計(jì)制作和擬動(dòng)力試驗(yàn)，并且采用有限元分析軟件SAP2000分別對(duì)原型結(jié)構(gòu)和模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震動(dòng)力響應(yīng)分析。根據(jù)模型結(jié)構(gòu)的擬動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果，按照動(dòng)力相似關(guān)系推算出原型結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，并將其與原型結(jié)構(gòu)的實(shí)際計(jì)算值進(jìn)行比較。通過對(duì)比分析自振頻率、加速度、位移和基底剪力，驗(yàn)證了模型與原型的相似關(guān)系。研究結(jié)果說明，可以通過模型的擬動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果對(duì)原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能評(píng)估。

關(guān)鍵詞：鋼框架結(jié)構(gòu)；擬動(dòng)力試驗(yàn)；原型結(jié)構(gòu)；模型結(jié)構(gòu)；相似關(guān)系

結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型試驗(yàn)是研究結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)理和評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)整體抗震性能的重要方法之一，如何正確處理結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型的相似關(guān)系，以及如何由模型反應(yīng)正確推導(dǎo)原型結(jié)構(gòu)的反應(yīng)是非常關(guān)鍵的問題。本文以2層鋼框架結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)為例，分析研究模型和原型結(jié)構(gòu)的相似關(guān)系。采用有限元軟件SAP2000建立計(jì)算模型，分析其在地震波作用下的地震反應(yīng)，按照結(jié)構(gòu)動(dòng)力相似關(guān)系，由模型結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)結(jié)果推算原型的地震反應(yīng)，并將模型理論推算值與原型實(shí)際計(jì)算值進(jìn)行比較，研究原型結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力響應(yīng)，從而驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相似關(guān)系。

1動(dòng)力相似關(guān)系

根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型設(shè)計(jì)的相似理論，模型與原型需要滿足以下四方面的相似關(guān)系:即幾何尺寸相似、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系相似、質(zhì)量和重力相似以及初始條件和邊界條件相似。在本次結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，確定幾何相似系數(shù)為SL=Lm/Lp=1/3,彈性模量相似系數(shù)為SE=Em/Ep=1(其中S代表相似比，角標(biāo)p表示原型，m表示模型)，再根據(jù)量綱分析法和動(dòng)力方程法導(dǎo)出其他各物理量的相似關(guān)系式和相似系數(shù)[1-3]，見表1。

2擬動(dòng)力模型試驗(yàn)

該試驗(yàn)在西安建筑科技大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的MTS擬動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行[4]。

2.1模型制作

本次擬動(dòng)力試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閮蓪印慰?、單開間，跨度和開間均為2.0m，首層樓面標(biāo)高為1.05m，2層樓面標(biāo)高為2.05m，樓面現(xiàn)澆50mm厚C25鋼筋混凝土樓板，上下兩層之間鋼柱用高強(qiáng)螺栓連接。柱子安裝在高400mm的鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)上。梁和柱都采用寬翼緣熱軋H型鋼HW100×100×6×8。底層柱腳和梁柱節(jié)點(diǎn)均為剛接，主次梁之間為鉸接[5-7]。模型照片見圖1。

圖1　結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌?/p>

2.2測(cè)試裝置

試驗(yàn)中在柱底、柱頂、橫梁以及節(jié)點(diǎn)處對(duì)稱布置電阻應(yīng)變片，在底層樓面和頂層樓面分別布置MTS的Temposonic磁制位移傳感器，以量測(cè)樓層水平位移并用于反饋控制。

2.3加載方案

在進(jìn)行擬動(dòng)力試驗(yàn)之前，首先通過對(duì)模型加載，測(cè)定模型結(jié)構(gòu)的初始剛度，測(cè)定的方法是在每個(gè)擬動(dòng)力試驗(yàn)工況前做一個(gè)周期的反復(fù)加載，根據(jù)實(shí)測(cè)的反力、位移即可得到結(jié)構(gòu)的初始剛度。本次試驗(yàn)實(shí)施時(shí)分別輸入加速度峰值不同的ElCentro地震波，用以測(cè)得結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。加載時(shí)按所選擇的地震波及相應(yīng)的加速度峰值由小到大依次輸入的ElCentro波加速度峰值分別為35、70、140gal。

3有限元建模

為了對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驮瓦M(jìn)行對(duì)比研究，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)的動(dòng)力相似關(guān)系，需建立原型結(jié)構(gòu)的有限元模型，來和模型試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析。因此，本文采用大型有限元分析軟件SAP2000對(duì)原型結(jié)構(gòu)建立有限元分析模型。本模型為兩層、單跨、單開間，跨度和開間均為6.0m，層高為3.0m，樓面為150mm厚C25鋼筋混凝土樓板，梁與柱剛接。材料依然采用Q235鋼材。梁柱都采用HW300×300×10×15的寬翼緣H型鋼[8]。

4原型與模型結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)比較

采用大型有限元分析軟件SAP2000對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元?jiǎng)恿Ψ治?，分析時(shí)輸入ElCentro波，將波的加速度峰值調(diào)至相當(dāng)于7度多遇的加速度值，即a=35gal，原型結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時(shí)間為10s，時(shí)間步長(zhǎng)為0.02s，地震波輸入方向?yàn)閄方向。本文僅分析在ElCentro波作用下原型與模型的動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)。

4.1自振頻率比較

表2為原型結(jié)構(gòu)和模型的各階頻率比較。根據(jù)模型結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果，按相似關(guān)系推算出原型的自振頻率，并將模型的理論推算值與原型結(jié)構(gòu)的實(shí)際計(jì)算值進(jìn)行比較，兩者的誤差分別為0.93%、0.45%、0.32%均小于1%，這說明可以通過模型結(jié)構(gòu)的擬動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果來研究原型結(jié)構(gòu)的自振特性。

表2　結(jié)構(gòu)自振頻率比較

4.2加速度比較

圖2　模型與原型頂層加速度比較

對(duì)比研究結(jié)構(gòu)樓層最大加速度來驗(yàn)證結(jié)構(gòu)原型與模型的加速度相似關(guān)系。表3為模型在ElCentro波作用下樓層最大加速度實(shí)測(cè)值與原型結(jié)構(gòu)的樓層最大加速度計(jì)算值，對(duì)比分析可見模型實(shí)測(cè)值與原型的計(jì)算結(jié)果非常接近，說明擬動(dòng)力模型試驗(yàn)結(jié)果及破壞現(xiàn)象可以與原型結(jié)構(gòu)相比。

表3　樓層最大加速度比較　gal

4.3位移比較

圖3　模型與原型頂層位移比較

表4為在ElCentro波作用下，模型結(jié)構(gòu)樓層在X向的最大位移實(shí)測(cè)值與原型結(jié)構(gòu)的樓層最大位移計(jì)算值之比較，來研究結(jié)構(gòu)原型與模型的樓層最大側(cè)移，可見由模型推算得到的位移值和原型計(jì)算值基本符合。

表4　結(jié)構(gòu)樓層最大位移比較　mm

4.4剪力比較

模型結(jié)構(gòu)和原型結(jié)構(gòu)在ElCentro波作用下基底剪力對(duì)比見圖4。按照動(dòng)力相似關(guān)系，推算出原型結(jié)構(gòu)的基底剪力,與原型實(shí)際計(jì)算值對(duì)比，可見模型理論推算值和原型實(shí)際計(jì)算值基本符合。

圖4　結(jié)構(gòu)基底剪力比較

5結(jié)語

1)通過對(duì)比模型和原型的各階自振頻率，模型按相似關(guān)系的推算值和原型的實(shí)際計(jì)算值符合較好，故采用模型試驗(yàn)結(jié)果來研究原型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性可行。

2)對(duì)比分析模型和原型的加速度時(shí)程曲線，可知模型按相似理論推算值與原型實(shí)際計(jì)算值符合較好。

3)對(duì)比分析模型和原型的位移時(shí)程曲線，并按照相似關(guān)系由模型實(shí)測(cè)值推算的原型結(jié)構(gòu)頂層最大位移和原型結(jié)構(gòu)實(shí)際計(jì)算值非常接近，說明可以由模型的位移反應(yīng)來研究原型結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)。

4)按相似關(guān)系推算得到的原型結(jié)構(gòu)理論基底剪力與原型結(jié)構(gòu)實(shí)際計(jì)算得到的基底剪力也非常接近。

通過上述對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)模型和原型的頻率、加速度、位移和基底剪力的比較分析，很好地驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)動(dòng)力相似關(guān)系的可行性，結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力模型試驗(yàn)可以真實(shí)地反映原型的地震響應(yīng)，在彈性階段可以直接應(yīng)用模型的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能評(píng)估。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]鄭山鎖.動(dòng)力試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谌我馀渲貤l件下與原型結(jié)構(gòu)的相似關(guān)系[J].工業(yè)建筑,2000,30(12):21-24.

[2]遲世春.結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型試驗(yàn)相似理論及其驗(yàn)證[J].世界地震工程,2004,10(6):52-56.

[3]范力等.擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)中幾個(gè)問題的討論[J].結(jié)構(gòu)工程師，2006,30(12):35-39.

[4]劉彩玲.鋼框架結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)及結(jié)構(gòu)動(dòng)力相似關(guān)系研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2008.

[5]中國(guó)建筑科學(xué)研究院.JGJ101—96建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1996.

[6]中國(guó)建筑科學(xué)研究院.GB50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

[7]北京鋼鐵設(shè)計(jì)研究院.GB50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003.

[8]錢德玲.高層建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)與原型對(duì)比的研究[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào),2013,30(12):23-29.

收稿日期：2016-04-28

基金項(xiàng)目：楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究基金項(xiàng)目(A2015020)

作者簡(jiǎn)介：劉彩玲(1983—)，女，陜西榆林人，講師，從事結(jié)構(gòu)抗震方面的教學(xué)與研究工作。

中圖分類號(hào)：TU391

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-3707(2016)07-0009-04

Study on the Comparison between the Simulated Dynamic ModelTest of the Steel Framed Structure and the Proterotype

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