王敏 王俊剛

摘要：本文運(yùn)用SAP2000結(jié)構(gòu)分析軟件，對(duì)某鋼管拱桁架結(jié)構(gòu)體系 （跨度58m，矢夸比0.38，三心圓）的整體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了在EL-cenro地震作用下的彈塑性增量動(dòng)力響應(yīng)分析，研究中采用集中塑性鉸理論考慮材料的非線性并同時(shí)計(jì)入結(jié)構(gòu)的幾何非線性影響。研究結(jié)果表明：該鋼管拱桁架破壞過(guò)程中，材料塑性發(fā)展充分，屬?gòu)?qiáng)度破壞，且承載力相對(duì)較高，抗震能力突出。

Abstract： This paper uses SAP2000 structural analysis software to analyze the elastoplastic incremental dynamic response of a steel tubular arch truss structure system （span 58m， sagitta than 0.38， three-hearted circle） under EL-cenro earthquake. In the study， the concentrated plastic hinge theory is used to consider the nonlinearity of the material and simultaneously account for the geometric nonlinear effects of the structure. The research results show that during the failure process of the steel tubular arch truss， the plasticity of the material is fully developed， which is a kind of strength damage， and the bearing capacity is relatively high， and the seismic resistance is outstanding.

關(guān)鍵詞：強(qiáng)震;彈塑性時(shí)程分析;鋼管拱桁架

Key words： strong earthquake;elastoplastic time history analysis;steel tube arch truss

中圖分類號(hào)：TU27 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）30-0189-02

0 ?引言

近年來(lái)，大跨度結(jié)構(gòu)建筑在抗震救災(zāi)工作中發(fā)揮了舉足輕重的作用，常作為地震避難所和救災(zāi)指揮的場(chǎng)地使用。因此，對(duì)此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，不僅要求進(jìn)行多遇地震的設(shè)計(jì)驗(yàn)算，而且應(yīng)對(duì)其在強(qiáng)烈地震下特別是超過(guò)規(guī)范設(shè)防烈度以后的地震烈度進(jìn)行分析，以確保其在強(qiáng)震后可作為地震避難所使用[1]。為此研究該類結(jié)構(gòu)強(qiáng)震下的彈塑性失效模態(tài)對(duì)其進(jìn)行抗倒塌性能設(shè)計(jì)具有重要的防災(zāi)減災(zāi)意義。某鋼管拱桁架結(jié)構(gòu)體系 （跨度58m，矢夸比0.38，三心圓）的整體結(jié)構(gòu)模型為研究對(duì)象，采用塑性鉸理論和SAP2000分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，研究其在強(qiáng)震作用下的破壞形態(tài)、機(jī)理和極限承載力[2]。

1 ?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該結(jié)構(gòu)擬采用三心圓鋼管拱桁架結(jié)構(gòu)體系，跨度58m，矢夸比0.38，厚度2.4m，三心圓半徑分別為17m、34m、17m，圓心角分別為45°、90°、45°，上下弦均設(shè)置鉸接支座，間距7.2m。結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

荷載標(biāo)準(zhǔn)值：①結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)計(jì)算;②屋面活荷載0.5kN/m2;活載值=max{屋面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值，雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值};③屋面板采用玻璃幕墻（8mm+12A+8mm），恒荷載為0.016×2560×10×1.3=0.53kN/m2;④基本風(fēng)壓0.4kN/m2。

抗震設(shè)防烈度為8度（0.20g，第一組），場(chǎng)地類別為Ⅲ類，特征周期值為0.45s，阻尼比彈性時(shí)取0.02，彈塑性時(shí)取0.05;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年。

材料為Q235B級(jí)鋼，彈性模量為205E03N/mm2，泊松比為0.3。

首先采用SAP2000按國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。所有桿件均按軸心受力構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析時(shí)采用桿單元。桿件應(yīng)力比控制在1.0以內(nèi)。設(shè)計(jì)桿件尺寸為：上弦桿？準(zhǔn)127×4;下弦桿？準(zhǔn)127×4;腹桿70×3。

2 ?動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

2.1 初始條件

采用軟件SAP2000，選用適合Ⅲ類場(chǎng)地的一組強(qiáng)震記錄EL-Centro波，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性動(dòng)力增量（IDA）時(shí)程分析，時(shí)長(zhǎng)為19秒。計(jì)算分析時(shí)把恒載和0.5倍的雪載作用下的內(nèi)力和變形狀態(tài)作為動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析的初始條件。地震波的輸入方向考慮X向和Z向的組合輸入，其中最不利組合為：1.2恒載+1.4活荷載+1.3水平地震（X）+0.5豎向地震（Z）。

利用“屈服力和屈服位移”歸一化法，定義鉸的“廣義力—廣義位移”曲線，詳細(xì)參見(jiàn)FEMA356。為了保證計(jì)算精度和計(jì)算效率，在上弦桿、下弦桿、腹桿的中間位置設(shè)置軸力鉸。

2.2 EL-centro波作用下彈塑性動(dòng)力響應(yīng)分析

2.2.1 塑性發(fā)展與破壞形態(tài)

采用動(dòng)力增量法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析。地震作用效應(yīng)組合為1.3水平+0.5豎向。當(dāng)?shù)卣鸩铀俣确逯递^小時(shí)，結(jié)構(gòu)變形為彈性小變形;當(dāng)加速度峰值達(dá)到400gal時(shí)，結(jié)構(gòu)開(kāi)始進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，在上弦靠近支座處出現(xiàn)第一批塑性鉸;隨著加速度峰值的增加，塑性鉸的數(shù)量會(huì)逐漸增加;當(dāng)加速度峰值達(dá)到2209時(shí)，結(jié)構(gòu)響應(yīng)處于發(fā)散狀態(tài)，失效時(shí)的變形形態(tài)和塑性鉸分布如圖2所示，由圖可見(jiàn)：上下弦桿塑性發(fā)展充分，腹桿大部分處在彈性階段，且上弦桿拱腳處較跨中處破壞嚴(yán)重，下弦桿跨中處較拱腳處破壞嚴(yán)重，腹桿塑性鉸集中在拱腳處。

2.2.2 動(dòng)力失效分析

采用sap2000軟件模擬結(jié)果如下。

圖3為最大位移節(jié)點(diǎn)的位移-加速度曲線，當(dāng)?shù)卣鹱饔幂^小時(shí)，桿件處于彈性階段，剛度沒(méi)有明顯變化，隨著地震作用的加大，大部分桿件進(jìn)入彈塑性階段，剛度也逐之減小，最終，位移發(fā)散，剛度降為零，結(jié)構(gòu)失效。

圖4為最大桿件軸力時(shí)程曲線，桿件大部分時(shí)間處于受拉狀態(tài)，當(dāng)荷載超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)，此桿首先發(fā)生強(qiáng)度破壞，從而引起其周圍桿件內(nèi)力重分布，近而導(dǎo)致這些桿件也發(fā)生強(qiáng)度破壞，造成結(jié)構(gòu)局部剛度弱化，最終使得整體結(jié)構(gòu)喪失穩(wěn)定而倒塌。

綜合考慮破壞過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的最大節(jié)點(diǎn)位移、進(jìn)入塑性桿件比例逐漸增加，結(jié)構(gòu)剛度逐漸弱化，此鋼管拱桁架應(yīng)屬于局部強(qiáng)度破壞引起的整體失穩(wěn)倒塌。

3 ?結(jié)論

①?gòu)慕Y(jié)構(gòu)失效時(shí)的塑性鉸分布來(lái)看，大部分上弦桿和下弦桿可以進(jìn)入塑性階段，且上弦桿拱腳處較跨中部位的塑性鉸發(fā)展程度充分，下弦桿跨中部位較拱腳處的塑性鉸發(fā)展充分，然而腹桿只有拱腳處塑性鉸較多，其余部位并沒(méi)有進(jìn)入塑性階段。因此，建議在此類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意對(duì)薄弱部位（上弦拱腳處，下弦跨中處，腹桿拱腳處）的設(shè)計(jì)。

②結(jié)合最大位移節(jié)點(diǎn)的位移-加速度曲線及最大桿件軸力時(shí)程曲線，可知，在強(qiáng)震作用下，結(jié)構(gòu)破壞首先發(fā)生在下弦跨中處，且屬于強(qiáng)度破壞，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生整體失穩(wěn)而倒塌。

參考文獻(xiàn)：

[1]李海旺.大跨鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)地震避難所抗震設(shè)計(jì)方法研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2013.

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[3]黃初濤，王惠民，劉時(shí)宜，肖啟仁，趙帥，姚激，張慶.某鋼框架結(jié)構(gòu)的彈塑性減震方案分析[J].價(jià)值工程，2018，37（01）：99-102.