大跨度結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)研究

摘要:根據(jù)結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜、跨度大、各層結(jié)構(gòu)體系不同的特點(diǎn)，本文結(jié)合呼和浩特東客運(yùn)站通過對站房大跨度結(jié)構(gòu)進(jìn)行多維多點(diǎn)地震動響應(yīng)分析，歸納行波效應(yīng)下結(jié)構(gòu)相應(yīng)的特點(diǎn)，總結(jié)了行波效應(yīng)對于結(jié)構(gòu)動力性能的影響，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞:大跨結(jié)構(gòu)多維地震多點(diǎn)輸入

中圖分類號:TU311文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)03(a)-0086-02

根據(jù)建筑功能設(shè)計的要求，一系列形式多樣、跨度規(guī)模大、體型體系復(fù)雜的結(jié)構(gòu)越來越多，呼和浩特東客運(yùn)站主站房結(jié)構(gòu)各層結(jié)構(gòu)體系不同，樓面結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力梁與普通RC樓板結(jié)構(gòu)，而屋蓋結(jié)構(gòu)為拱形鋼梁和雙層球網(wǎng)殼等結(jié)構(gòu)體系的組合;結(jié)構(gòu)體系和材料的不同使結(jié)構(gòu)的阻尼比也不同等，給傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了挑戰(zhàn)。

大跨空間結(jié)構(gòu)得到了越來越多應(yīng)用的同時，對其動力性能也提出了更高的要求。由于地震波速度一般為每秒幾百米至幾千米，同時震源也可能不止一個點(diǎn)，而大跨空間結(jié)構(gòu)的跨度較大，各支座間的距離較遠(yuǎn)，這樣就容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)各支座點(diǎn)的地震響應(yīng)并不一致，存在著空間和時間上的差異。因此，研究考慮地震動空間變化特性對大跨空間結(jié)構(gòu)的影響具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

1 工程概況

呼和浩特東客運(yùn)站房選址于呼和浩特市主城區(qū)東側(cè)京包線上，該站由主站房和站臺雨蓬組成，站臺雨蓬與主站房之間設(shè)伸縮縫兼抗震縫分開。站房平面尺寸大約為183.500m×315.366m，主要的柱網(wǎng)尺寸有:15.588m×27m、31.177m×27m、62.354×27m(屋面)。主站房主要分為三層:地面層為出站廳、出站廣場及配套設(shè)施、設(shè)備用房;結(jié)構(gòu)如圖1所示。站房屋面為由切割球形形成曲面和斜面組成，屋蓋不設(shè)縫。主要標(biāo)高分別為20m、21.8m、25.1m、27.8m、31.4m、33.4m和44.9m。屋蓋結(jié)構(gòu)為直徑81m的球面鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，中心有一直徑12m的開口，沿屋蓋徑向按圓心角7.5°的間距設(shè)置腹板開洞的拱形鋼梁，鋼梁的上下翼緣為箱形截面，腹板為鋼板。沿環(huán)向在拱形鋼梁之間布置鋼管支撐(與鋼梁剛接連接)且每隔圓心角60°另設(shè)置斜向支撐。壓力由箱形截面和鋼板組成的鋼梁，張力環(huán)為由箱形截面和圓鋼管組成的空間桁架，由標(biāo)高31.400處的主桁架支承(如圖1）。

2 大跨空間結(jié)構(gòu)抗震原理

由于地震時地面運(yùn)動是一個復(fù)雜的時間-空間過程，不僅具有時變特性，而且具有空間效應(yīng)。當(dāng)支座間距與地震波波長相當(dāng)時，應(yīng)考慮這種空間效應(yīng)的影響，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的多點(diǎn)輸入地震反應(yīng)分析。地震動產(chǎn)生空間效應(yīng)的原因?yàn)?(1)行波效應(yīng)。由于地震波速是有限值的，當(dāng)各支點(diǎn)的距離與地震波的波長在同一數(shù)量級時，地震波到達(dá)各支點(diǎn)的時間不同，各支點(diǎn)間地震動產(chǎn)生了時間滯后(相位差)。(2)部分相干效應(yīng)。由于地球介質(zhì)的不均勻性，地震波會反射和折射，且震源不同位置傳到不同支座的波疊加方式不同，由此產(chǎn)生各支點(diǎn)處地震動的頻散損失和各支座所受的激勵并不完全相干。(3)局部場地效應(yīng)。各支座的局部土層不同，以及它們影響基巖振幅和頻率成分方式不同。多點(diǎn)輸入就是在地震動輸入中考慮這種空間變化特性。

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析大多忽略地震動空間變化的特點(diǎn)，即假定結(jié)構(gòu)不同支座處的地面運(yùn)動是一致的。結(jié)構(gòu)跨度較小時該假定并不會產(chǎn)生較大誤差，但對大跨度的建筑、橋梁結(jié)構(gòu)的影響就會大得多，由此引出了大跨結(jié)構(gòu)多點(diǎn)輸入地震響應(yīng)的計算問題。目前，對多點(diǎn)輸入地震響應(yīng)的研究仍處探索階段，尚未建立完善的理論體系或設(shè)計方法，且僅有歐洲規(guī)范(EN1998-2)要求對超過規(guī)定跨度或局部場地土層特性變化較大的橋梁進(jìn)行考慮地震動空間效應(yīng)的多點(diǎn)輸入分析。由于大跨結(jié)構(gòu)形式多樣，多點(diǎn)輸入地震響應(yīng)特征也各有不同，因此科研人員及設(shè)計師們通常著眼于具體的結(jié)構(gòu)形式開展研究。

3 多點(diǎn)地震動輸入動力方程

多點(diǎn)激勵下結(jié)構(gòu)的運(yùn)動方程的建立，對于大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，是把結(jié)構(gòu)反應(yīng)的總位移分為擬靜態(tài)位移與動力相對位移之和，其運(yùn)動方程可以用分塊的形式表示為:

(1)

其中，、和分別表示地震激勵下結(jié)構(gòu)非支座節(jié)點(diǎn)的位移、速度和加速度向量;、和和分別表示地震激勵下各支座節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)迫位移、速度和加速度向量;表示地震動作用于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)各地面支座節(jié)點(diǎn)的力。

展開公式(1)第一行得到:

(2)

將結(jié)構(gòu)支座節(jié)點(diǎn)位移分解成解成擬靜態(tài)位移和動力相對位移兩部分，即

(3)

其中擬靜態(tài)位移可以通過令(1)式中所有動力項(xiàng)為零求得如下:

(4)

將式(3)代入式(2)得

(5)

將式(4)代入式(5)得

(6)

在(1)式中用代替，可得到:

(7)

將式(4)代入式(7)可得

(8)

其中稱為擬靜模態(tài)矩陣;為結(jié)構(gòu)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)對地面支座節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量貢獻(xiàn);為結(jié)構(gòu)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)對支座節(jié)點(diǎn)自由度的貢獻(xiàn)。對于集中質(zhì)量矩陣，令=0，這樣(8)式為:

(9)

式(9)是多點(diǎn)激勵下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的基本運(yùn)動方程。

4 動力特性分析

運(yùn)用大型有限元軟件Midas進(jìn)行有限元分析，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期為50年，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為100年。各種恒載、活載均按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB5009—2001)取值;基本風(fēng)壓按100年一遇取為0.60kN/m2，地面粗糙度為B類;基本雪壓按100年一遇取為0.45kN/m2。地震按設(shè)防烈度8度，場地特征周期為0.35s;考慮水平地震作用和豎向地震作用。采用的地震波為1940年美國埃森特羅波(EI-Centro波)，地震時間間隔0.02s，持續(xù)時間為30s。視波速設(shè)為50m/s、100m/s、200m/s、300m/s。

通過對一致地震動輸入與多點(diǎn)地震動輸入時大跨結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)分析比較，可以看出，柱底反力受地震動輸入形式的影響較大，考慮多點(diǎn)輸入時，結(jié)構(gòu)體型變化部位的柱底反力增大。對于結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力變化，在一致輸入時，大跨空間結(jié)構(gòu)的表面應(yīng)力集中在內(nèi)部，考慮多點(diǎn)輸入時，應(yīng)力逐漸向周圍有柱的地方傳播。在多點(diǎn)輸入地震作用下，受擬靜力位移影響較大的區(qū)域均主要集中于支座附近，擬靜力位移影響從支座到跨中不斷減弱。隨著視波速的增大，多點(diǎn)輸入的影響減小。水平地震和豎向地震作用下，擬靜力位移在結(jié)構(gòu)中的分布規(guī)律相似(如圖2）。

5 結(jié)語

本文通過對呼和浩特東客運(yùn)站房大跨空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行單點(diǎn)輸入和多點(diǎn)輸入下的地震反應(yīng)分析的結(jié)果對比，得出以下結(jié)論。

(1)對大跨空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析時，有必要考慮多點(diǎn)輸入時的動力響應(yīng)情況，作為設(shè)計指導(dǎo)。(2)擬靜力位移對大跨空間結(jié)構(gòu)的影響不能忽略，通過大量的有限元分析，得到不同參數(shù)情況下動力響應(yīng)情況，可為工程設(shè)計提供參考依據(jù)，同時也驗(yàn)證了能量法計算方法的有效性。(3)在多點(diǎn)輸入下結(jié)構(gòu)桿件的絕對位移較一致輸入時要小，但局部桿件的內(nèi)力值卻可能較一致輸入下要大，即危險桿件的數(shù)量增加，需要引起設(shè)計師注意。(4)地震波波速對結(jié)果影響較大，在缺乏準(zhǔn)確的地震傳播速度時，應(yīng)盡量選取多個視波速進(jìn)行驗(yàn)算，以保證結(jié)果的可靠性。(5)結(jié)構(gòu)空間剛度的分布是影響結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)擬靜力位移的重要因素。對于不同結(jié)構(gòu)形式的空間結(jié)構(gòu)而言，擬靜力位移的影響對于跨度和周期變化的敏感程度不同，可知選擇合理的結(jié)構(gòu)形式可以有效減小擬靜力位移的影響，減小空間地震動場的不利影響。

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