不同結構體系鋼管混凝土框架地震響應對比

陳 強

(福建省金億建設工程有限公司 福建福州 350001)

0 引言

鋼管混凝土能夠適應大跨度、高聳結構、大載荷等特點要求，具有優越的力學性能和先進的經濟技術指標，被廣泛應用于現代土木工程建造中[1]。國內外學者對鋼管混凝土結構進行了大量(擬)靜力試驗研究，但結合振動臺進行地震模擬試驗則較少。而上部結構與地基土是一個共同工作的整體系統，在地震荷載作用下，二者相互作用(稱為土-結構相互作用，簡寫為SSI)[2-3]。由于考慮SSI作用的上部結構體系比剛接體系的剛度要低，頻率增大，在軟土地基，其差異更加明顯，且目前對于鋼管混凝土框架結構的抗震性能影響研究又較少[4-6]，為獲得鋼管混凝土框架結構地震響應規律，本文進行了剛接、考慮SSI兩種情況的數值模型試驗，并分析兩種體系在不同地震波作用下的地震響應變化規律，為工程結構設計提供參考。

1 鋼管混凝土框架結構體系模型的建立與驗證

1.1 試驗模型設計

(a)剛接結構 (b)SSI結構圖1 不同結構試驗模型

試驗采用加速度傳感器來采集結構的動力響應，主要采用的實驗儀器有INV-306DF智能信號采集處理分析儀、INV-16多功能抗混濾波放大器、INV9818系列壓電加速度傳感器，使用頻率范圍為0.2-1500Hz，靈敏度較高[7-8]。根據Shannon采樣定理，確定試驗采樣頻率為512Hz，對結構分別進行不同激勵點的力錘激勵測試，以得到典型的加速度時程曲線[9-10]。

1.2 建立有限元模型

(a)剛接結構 (b)SSI結構圖2 不同結構有限元模型

采用ANSYS建立有限元模型，將剛性結構體系模型底部4個支座設置為完全約束，而將考慮SSI的結構體系箱基四周與底部土體設置為彈簧-阻尼單元。模型計算時，箱基、土體、鋼管砼柱、鋼梁、樓板等結構體系彈性模量、泊松比、密度等參數取值與實際工程一致，有限元模型建立如圖2所示。

1.3 模型驗證

結合模型試驗與有限元數值分析兩種手段，對考慮與不考慮SSI影響的兩種結構體系進行模態分析，得到結構前7階頻率對比，如表1所示。

表1 兩種模型結構不同模態階次實測頻率對比

注：SZ——數值分析；SY——試驗實測。

從表1可以看出，數值分析和試驗實測中未測出剛接結構第6階頻率。為了更直觀地說明，取兩種結構前三階模態和SSI結構第六、七階模態進行分析，如圖3～圖5所示。

(a)第一階模態 (b)第二階模態 (c)第三階模態圖3 剛接結構前3階模態圖

(a)第一階模態 (b)第二階模態 (c)第三階模態圖4 考慮SSI結構前3階模態

(a)第六階模態 (b)第七階模態圖5 考慮SSI結構的第6、7階模態

從圖4可以看出，由于結構平面為雙軸對稱，SSI結構X和Z兩個方向一、二階平動模態頻率是相等，三階為扭轉變形。

由圖5可以看出，考慮SSI作用的結構在第六階出現豎向變形，而在剛接結構中不會出現此現象，SSI結構的第七階應與剛接結構的第六階對應。因為剛接結構底部是完全約束，不會產生豎向提離現象，然而由于土體可產生壓縮變形，因此在考慮SSI結構中產生豎向提離現象是符合實際。

由表1可以得出，考慮SSI結構比剛性結構自振周期增大，頻率則降低，SZ方向頻率最大降低10.4%，SY方向頻率最大降低10.9%。

對比模型試驗與有限元數值結果，獲得在低階模態數值分析的結果更為逼近實測模態試驗。可見，考慮與不考慮SSI影響的兩種結構體系有限元模型與試驗模型是比較接近，證明所建立的二重結構體系有限元模型是有效的。

2 不同結構體系地震響應分析

2.1 參數選取

為了更精確地分析實際工程結構的地震響應情況，本文在驗證上述按1∶10比例縮尺建立的有限元模型有效性的基礎上，采用相同的有限元建模方法，建立了1∶1比例尺的實際工程結構尺寸的有限元模型。共建立了4層、8層、12層3組不同樓層高度的結構有限元模型，并分別對這3組結構進行非線性地震響應數值分析。

本文進行結構地震響應時程分析時，選用2組實際強震記錄El Centro、阪神波和1組上海人工波。其中，El Centro最大加速度峰值為341.7cm/s2，持續時間為30s；阪神波最大加速度峰值為817.82cm/s2，持續時間為20s；上海人工波最大加速度峰值為156.86cm/s2，持續時間為24.9s。

2.2 樓層變化對比

經過有限元模態分析，得到4層剛接結構的一階、二階自振頻率為2.26Hz，周期為0.44s，考慮SSI的4層結構一階、二階自振頻率為1.50Hz，周期為0.67s；8層剛接的鋼管混凝土框架結構一階、二階自振頻率為1.04Hz，周期為0.96s，考慮SSI的8層結構一階、二階自振頻率為0.70Hz，周期為1.43s；12層剛接的鋼管混凝土框架結構一階、二階自振頻率為0.67Hz，周期為1.49s，考慮SSI的12層結構一階、二階自振頻率為0.42Hz，周期為2.38s。

2.2.1不同結構水平最大位移對比

計算獲得了不同結構、不同地震波作用下頂層最大水平位移，圖6所示為12層結構在不同地震波作用下頂層最大水平位移，圖7為不同層數結構在不同地震波作用下各層最大水平位移對比。不同結構計算結果對比如表2所示。

(a)El Centro

(b)阪神波

(c)上海人工波

地震波類型剛接結構/mSSI結構/m48124812ElCentro0．0730．0990．1750．1110．0840．417Banshen0．2530．3850．8620．4120．2440．489Shanhai0．0440．0710．1540．0510．0840．244

(a)4層樓在不同地震波下最大水平位移

(b)8層樓在不同地震波下最大水平位移

(c)12層樓在不同地震波下最大水平位移

2.2.2對比結果分析

結構的自振頻率隨著樓層高度的增加而減小，自振周期則隨著樓層高度的增加而增大。不同樓層高度的地震響應情況有所不同，結構的變形并不均是隨著樓層高度的變化而成線性變化，并非樓層高度越高地震響應越大。在3組地震波作用下，不考慮SSI的剛接結構的最大變形均隨著樓層高度的增加而增大。然而考慮SSI的4層和8層結構在El Centro和阪神波作用下，4層結構的最大水平位移變形略大于8層結構，在上海人工波作用下，8層結構的最大水平位移要大于4層結構。而對于12層結構來說，不管是否考慮SSI作用，其結構最大變形均大于4層或8層的結構。

2.3 地震響應分析

結構體系地震響應情況與地震性特征有著密切的聯系，即使同一個結構體系在不同的地震波作用下響應情況也不完全相同。8層的結構體系在El Centro和阪神波作用下，考慮SSI的鋼管混凝土框架結構體系比不考慮SSI的位移有所減小，而在上海人工波作用下，考慮SSI的比不考慮SSI的位移反應要大。這表明不同的結構體系即使在相同的地震波作用下反應也不一定相同，主要是因為耦聯系統的頻率、模態等振動特性因相互作用而發生變化。變化后的頻率如果與輸入地震波的主要特征周期范圍非常接近，則可使反應加大，反之減少[11]。從3組地震波的加速度反應譜來看，El Centro主要特征周期范圍集中在0～1s，阪神波的主要特征周期集中在1s以內，上海人工波的主要特征周期達2s?？紤]SSI的鋼管混凝土框架結構體系的特征周期達到1.43s，超出了兩組實際記錄的地震波特征周期范圍，但并未越出上海人工波的特征周期范圍，從而在兩組實際記錄地震波作用下，考慮SSI的反而減小?？紤]SSI作用可使結構體系的頻率減小，自振周期增大，阻尼比增大，這與前人的研究結果基本一致[12-13]。

3 抗震性能評價

通過對不同地震波作用下兩種結構體系地震響應對比分析，由圖7可以得出4層結構體系各樓層最大位移曲線無明顯轉拆點，表明結構沒有明顯破壞，鋼管與混凝土二者之間工作性能良好。

從8層結構體系各樓層最大位移曲線來看，在El Centro作用下的剛接結構體系在一層處出現一個小轉折點，曲線略向右傾斜，但基本保持在直線附近，可見在該地震波作用下不考慮SSI的鋼管混凝土框架結構體系出現輕微損傷。在阪神波作用下，不考慮SSI的結構體系在一層處出現明顯的轉折點，曲線嚴重向右傾斜，結構體系的側向剛度明顯下降，這表明在阪神波這種強烈的地震波作用下，結構會發生嚴重的損傷，而考慮SSI的結構體系的各樓層最大位移曲線基本保持直線狀態，表明結構的側向剛度沒有發生明顯改變，結構體系保持良好的工作狀態。在上海人工波作用下，兩種結構體系的各樓層最大位移曲線基本為直線，結構體系沒有產生破壞。

從12層結構體系各樓層最大位移曲線來看，在El Centro和上海人工波作用下，結構體系的剛度無明顯退化，結構體系無明顯的破壞。在阪神波作用下，不考慮SSI的結構體系同樣在一層處出現轉拆點，曲線向右傾斜，結構剛度發生明顯的改變，結構產生了破壞，然而考慮SSI的結構體系確沒發生明顯的破壞現象。

4 結語

通過對兩種鋼管混凝土結構體系進行模型試驗與數值計算分析研究，得到如下結論：

(1)考慮SSI的鋼管混凝土框架結構在高階模態會產生提離現象，而不考慮SSI的剛接結構不會產生提離現象。

(2)考慮SSI的鋼管混凝土框架結構比底部剛接結構體系自振頻率減小，自振周期增大。

(3)4層鋼管混凝土框架結構體系在3組地震波作用下均未產生破壞，抗震性能良好。而不考慮SSI的8層、12層結構體系在阪神波作用下，在一層處出現剛度退化轉折點，表明一層為結構的薄弱層，在抗震設計時應適當的加固。

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