下部結構對鋼管拱桁架抗震性能的影響

張 勛

(山西醫科大學基建處，山西 太原 030001)

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下部結構對鋼管拱桁架抗震性能的影響

張 勛

(山西醫科大學基建處，山西 太原 030001)

通過建立模型，從結構的節點位移、抗震承載力和破壞形式等方面，對三種不同下部結構鋼管拱桁架進行了強震下動力彈塑性時程分析，結果表明，三種下部結構拱桁架都能夠滿足預期的抗震設防目標，下部結構形式會影響拱桁架結構的抗震承載力。

鋼管拱桁架，下部結構，抗震承載力，動力彈塑性分析

0 引言

空間立體鋼管拱桁架結構是一種具有造型美觀，受力明確，結構剛度大，用鋼量小等優點的常用大跨度空間結構形式。該結構形式常用于車站，候機廳，體育館，飛機庫，工業廠房等，這些建筑雄偉壯觀、令人嘆為觀止，不僅僅是一個地區的地標，更展示了一個國家的建筑科學技術水平[1]。現今對于大跨鋼管拱桁架結構在靜力作用下彈塑性階段研究已比較詳盡，但對于強震作用下的動力彈塑性研究還不夠透徹。本文采用動力彈塑性時程分析法對三種不同落地形式的鋼管拱桁架結構強震下的動力響應進行分析，以對比不同落地形式對鋼管拱桁架抗震性能的影響。

1 計算模型及計算方法

1.1 計算模型

擬建三個不同下部結構鋼管拱桁架為模型，幾何尺寸如圖1所示，采用空間鋼結構軟件3D3SV12.1程序建模，SAP2000v15程序優化設計并進行彈塑性時程分析[2]，研究下部結構對拱桁架的抗震性能影響。

拱桁架模型所用材料采用Q235B熱軋無縫圓鋼管。倒三角型鋼管拱桁架的上弦桿截面為102×4.0，127×6.0，140×6.0和159×8.0，下弦桿截面為127×6.0，140×6.0，159×8.0和180×1.0，腹桿和斜撐桿截面為88×4.0。鋼筋混凝土柱截面為1.2 m×0.8 m。

為保證結構在失效前不發生平面外失穩，在拱桁架結構模型中設置三個側向約束。考慮拱桁架的桿件細小且主要承受軸力，桿件和支座都簡化為鉸接連接。

1.2 荷載及工況

考慮屋面做法和太陽能系統上弦恒荷載取0.65 kN/m2，吊頂及馬道直接作用于下弦取1.0 kN/m2，拱桁架結構自重由程序自動計算。根據《鋼結構設計規范》[3]，超大面積屋面活荷載取0.3 kN/m2。根據《建筑結構荷載規范》[4]，基本雪壓取0.35 kN/m2。太原地區基本風壓取為0.4 kN/m2。根據《建筑抗震設計規范》[5]，擬建地區太原的設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.2g。

考慮各荷載的不利影響在拱桁架設計時共計算30種不同的荷載組合工況，在進行動力時程分析時考慮的荷載組合為：1)1.20×(恒+0.50雪)+1.30水平地震；2)1.20×(恒+0.50雪)+1.30豎向地震；3)1.20×(恒+0.50雪)+1.30水平地震+1.30×0.50豎向地震。

1.3 計算方法

考慮各工況組合，運用振型分解反應譜法計算地震作用，設計出滿足實際工程的拱桁架桿件截面。然后通過SAP2000軟件對拱桁架進行時程分析，選用EL-Centro波分別從水平向和豎向輸入直接落地、格構柱落地和鋼筋混凝土柱落地三種下部結構拱桁架，把恒荷載和雪載下結構的應力和變形作為時程分析的初始條件，在拱桁架的桿件中定義MPP塑性鉸，通過逐步加大EL-Centro波的最大加速度峰值為參數得到三種不同下部結構拱桁架結構的抗震性能。

2 計算結果及分析

2.1 模態分析

觀察圖2可以發現，三種落地形式拱桁架結構的自振周期發展平緩，結構的質量和剛度分布對稱，均勻。由于直接落地拱桁架結構沒有下部結構，同振型的結構自振周期最小，即結構剛度最大，鋼筋混凝土柱落地結構次之，格構柱落地拱桁架自振周期最大，即結構剛度最小。

2.2 結構的節點位移響應分析

由圖3可知，三種落地下部結構拱桁架的彈性工作階段的地震加速度峰值都遠遠超過了70gal，達到破壞時的臨界加速度峰值都超過了400gal，即能夠達到“小震不壞，大震不倒”的抗震性能設計要求。直接落地拱桁架結構由水平向地震起控制作用，破壞界限加速度值為612gal。格構柱落地拱桁架結構由水平向地震起控制作用，破壞界限加速度值為547gal。鋼筋混凝土柱落地拱桁架結構由水平向地震起控制作用，破壞界限加速度值為556gal。隨著地震波加速度峰值的增大，結構的水平位移和豎向位移也隨之增大。直接落地鋼管拱桁架剛度較鋼筋混凝土柱落地和格構柱落地拱桁架大，故同一地震加速度峰值地震波作用時的水平位移和豎向位移均較小。

2.3 結構延性系數及耗能分析

由表1可知，水平地震作用下直接落地、鋼筋混凝土柱落地和格構柱落地拱桁架結構的位移延性系數都大于1.80，但由于結構加載的初始狀態為重力荷載代表值(永久荷載+雪荷載)且結構有側向支撐作用，水平地震作用下的結構位移延性系數都要大于豎向地震作用。直接落地拱桁架的結構延性和耗能能力最好，格構柱落地拱桁架結構的延性和耗能能力要優于鋼筋混凝土柱落地結構。

表1 EL-Centro波作用下不同結構的位移延性系數

2.4 結構破壞形式分析

由于三種下部結構拱桁架的抗震性能都由水平地震作用控制，根據圖4可知，拱桁架結構在破壞時大部分桿件都還處于彈性階段，結構破壞是由于少數桿件破壞導致。直接落地拱桁架結構失效是由于拱桁架1/4處的腹桿破壞，然后拱桁架結構變成機構而破壞。格構柱落地鋼管拱桁架結構破壞發生在拱桁架1/4處，表明此處是格構柱落地拱桁架結構最薄弱的地方。鋼筋混凝土柱落地拱桁架結構失效是由于拱桁架1/4處上弦桿和支座處下弦桿被拉斷，表明這兩處是鋼筋混凝土柱柱落地拱桁架結構最薄弱的地方。

3 結語

1)直接落地、格構柱落地和鋼筋混凝土柱落地三種不同下部結構拱桁架在地震作用下的動力響應不同，相對于直接落地拱桁架，帶下部結構的拱桁架抗震承載力有所降低，但都能夠滿足預期的抗震設防目標。

2)三種不同下部結構拱桁架的抗震承載力都由水平向地震作用控制，其中格構柱落地拱桁架的動力響應最大，直接落地鋼管拱桁架結構的結構延性系數最大。

3)從三種下部結構拱桁架在強震下的破壞形式看，拱桁架的1/4處都是結構的薄弱環節，在結構分析時應當引起注意。

[1] 沈世釗.大跨度空間結構的發展——回顧與展望[J].土木工程學報,1998,31(3):5-14.

[2] 北京金土木軟件技術有限公司，中國建筑標準設計研究院.SAP2000中文版使用指南[M].北京:人民交通出版社，2012.

[3] GB 50017—2003，鋼結構設計規范[S].

[4] GB 50009—2012，建筑結構荷載規范[S].

[5] GB 50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

On influence of lower parts on steel pipe arch truss’s seismic performance

Zhang Xun

(InfrastructureDivisionofShanxiMedicalUniversity,Taiyuan030001,China)

By establishing the model, the paper undertakes the dynamic elastic-plastic time-history analysis of the three kinds of lower parts on steel pipe arch truss under severe earthquakes from the joint displacement, seismic loading capacity and damage forms of the structure, proves by the result that the three lower structures can meet the demands of the expected seismic protection, indicates the lower parts can affect the seismic loading capacity of the arch truss structure.

steel pipe truss, lower structure, seismic loading capacity, dynamic elastic-plastic analysis

1009-6825(2016)18-0042-02

2016-04-15

張 勛(1987- )，男，工程師

U441.3

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