張 旭 紅

(太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引言

某高鐵客運(yùn)站候車(chē)大廳主體結(jié)構(gòu)屋蓋采用多柱長(zhǎng)懸臂鋼結(jié)構(gòu)桁架，該結(jié)構(gòu)以每根鋼柱及其長(zhǎng)懸臂為一個(gè)受力單元，按照懸臂端連接的方式組合而成結(jié)構(gòu)體系。由于結(jié)構(gòu)體系新穎，功能重要，投資巨大，因此結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的防倒塌設(shè)計(jì)十分重要。本文對(duì)結(jié)構(gòu)輸入符合場(chǎng)地特征的極限地震波進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，以結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程中的彈塑性變形耗能性能為指標(biāo)，對(duì)其破壞模式進(jìn)行了優(yōu)化。所謂極限地震是指對(duì)結(jié)構(gòu)足以造成嚴(yán)重的地震。結(jié)構(gòu)在極限地震下的破壞模式對(duì)結(jié)構(gòu)的常規(guī)設(shè)計(jì)具有明確的參考價(jià)值。

1 多柱長(zhǎng)懸臂鋼結(jié)構(gòu)桁架屋蓋結(jié)構(gòu)特征

單柱長(zhǎng)懸臂鋼結(jié)構(gòu)桁架屋蓋單側(cè)懸臂長(zhǎng)度28 m，多柱組合后柱間跨度為56 m。單柱受力單元平面如圖1所示。該結(jié)構(gòu)所有桿件為焊接方形截面，桿件之間為相貫節(jié)點(diǎn)連接，結(jié)構(gòu)中典型節(jié)點(diǎn)如圖2所示。根據(jù)常規(guī)設(shè)計(jì)結(jié)果，單柱懸臂端與根部桿件平均應(yīng)力比為0.62，極差0.08，表明原設(shè)計(jì)各部位構(gòu)件應(yīng)力比在常規(guī)設(shè)計(jì)工況下較為均勻。

2 極限地震波選取與材料本構(gòu)關(guān)系

極限地震波合理選取對(duì)結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析結(jié)果影響巨大。選擇符合Ⅲ類場(chǎng)地的豎向地震波作為極限巨震輸入，并調(diào)整振幅使結(jié)構(gòu)達(dá)到嚴(yán)重破壞，峰值加速度8 000 mm/s2，見(jiàn)圖3。

鋼材本構(gòu)關(guān)系采用三折線彈塑性模型，Q235和Q345兩種鋼材的本構(gòu)關(guān)系如圖4所示，彈性模量為206 GPa，泊松比0.3，鋼材密度7 850 kg/m3。

本文應(yīng)用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行建模，該軟件建模方便，能夠較好的模擬鋼材的性質(zhì)。ABAQUS軟件具有非常強(qiáng)大的求解非線性問(wèn)題及大型復(fù)雜問(wèn)題的能力，能夠較為準(zhǔn)確的對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用B32梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬各類型鋼和鋼管。

3 極限地震作用下破壞模式優(yōu)化

將所選極限地震波輸入結(jié)構(gòu)模型，彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析結(jié)果表明：破壞主要集中在柱兩側(cè)懸臂根部各三個(gè)節(jié)間內(nèi)的構(gòu)件上，如圖5，圖6所示。這表明結(jié)構(gòu)在極限地震下為整體垮塌的破壞模式。分析原因發(fā)現(xiàn)，雖然原設(shè)計(jì)各部位構(gòu)件應(yīng)力比在常規(guī)設(shè)計(jì)工況下較為均勻，但由于懸臂根部集中有較多質(zhì)量，故破壞集中在了懸臂根部。為使結(jié)構(gòu)在極限地震下破壞部位離開(kāi)懸臂根部而轉(zhuǎn)移至懸臂端部，從而有效保護(hù)懸臂根部構(gòu)件在極限地震作用下的安全，修改懸臂端構(gòu)件應(yīng)力比平均值，使其提高到0.75，懸臂根部構(gòu)件應(yīng)力比均值下降至0.55，整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力比極差修正為0.15。

由圖7可知，多柱連接部位的懸臂端部構(gòu)件應(yīng)力比提高后，結(jié)構(gòu)在極限地震作用下，結(jié)構(gòu)破壞部位由懸臂根部三個(gè)節(jié)間轉(zhuǎn)移到了懸臂端部的四個(gè)節(jié)間；由圖8可知，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)比優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)彈塑性變形耗能增大了20%，表明結(jié)構(gòu)在極限地震下的破壞模式得到了明顯優(yōu)化，從而避免了結(jié)構(gòu)在極限地震下的整體垮塌。

4 結(jié)語(yǔ)

為避免多柱長(zhǎng)懸臂鋼結(jié)構(gòu)桁架屋蓋在極限地震下的整體垮塌破壞，應(yīng)保護(hù)立柱與懸臂根部構(gòu)件的安全。通過(guò)弱化多柱連接的懸臂端部的構(gòu)件，提高其平均應(yīng)力比，使其在極限地震中能夠較早地進(jìn)入塑性階段，吸收大多地震能量，破壞有效地保護(hù)了立柱與懸臂根部構(gòu)件的安全。本文方法對(duì)多柱長(zhǎng)懸臂鋼結(jié)構(gòu)桁架屋蓋的常規(guī)設(shè)計(jì)提供了有益的參考價(jià)值。

[1] 劉人懷.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的非線性彎曲、穩(wěn)定和振動(dòng)[J].北京：科學(xué)出版社.2011:86-92.

[2] 傅學(xué)怡,楊想兵,高 穎.多重弦支網(wǎng)格梁結(jié)構(gòu)在山西體育中心三館鋼屋蓋中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2012,33(5):1-8.