板式剪刀梯在不同地震波下的時程分析

胡希冀，張麗娜

(1.承德石油高等專科學校 建筑工程系，河北 承德 067000；2.中石化石油機械股份有限公司 承德江鉆分公司，河北 承德 067000)

抗震設計一直是結(jié)構(gòu)設計的重點和難點，近年來的震害表明，結(jié)構(gòu)倒塌的主要原因是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件耗能能力不足和變形能力不足。建筑物在大震時能保證“不倒”，才可保證建筑物發(fā)生破壞時(后)內(nèi)部的人員可以安全逃離而獲救，但是，即便地震發(fā)生時建筑物實現(xiàn)了“大震不倒”，而作為逃生通道的樓梯卻發(fā)生了破壞，無法滿足上下通行，建筑內(nèi)部的人員也無法脫險。同時，樓梯梯段的斜撐會導致結(jié)構(gòu)的剛度局部增大，地震時剛度大的部位會吸收更大的地震作用，因此，在保證房屋“大震不倒”的前提下提高樓梯的抗震性能，才能滿足樓梯作為逃生通道的要求。剪刀梯尤其以可充分利用樓層高度、減少公攤面積的優(yōu)點，經(jīng)常用在高層建筑中，本文擬分析剪刀梯在不同地震波作用下的時程反應，以期為樓梯抗震設計提供數(shù)據(jù)支持。

1 模型的建立

混凝土取C30，其彈性模量Ε=3e10 N/m2，泊松比μ=0.2，在ANSYS中用SOLID65單元來建立樓梯模型，樓梯模型如圖1所示，樓梯主要尺寸如表1所示。

2 地震波選取

本文擬模擬剪刀梯在8度區(qū)的動態(tài)響應，環(huán)境條件如下：①抗震設防烈度：8度；②設計地震分組：第一組；③抗震設計基本地震加速度：0.2 g；④場地類別：Ⅱ類。選取的地震波分別為：①EI波(南北方向)；②唐山波(南北方向)；③人工波(X∶Y∶Z=1∶0.85∶0.65)。選取的三種地震波峰值加速度分別為0.34 g、0.055 g和0.35 g，地震波時程曲線如圖2～圖4所示。

表1 樓梯構(gòu)件尺寸

構(gòu)件名稱構(gòu)件尺寸/mm平臺梁250×500踏步寬300踏步高150梯井寬50平臺板(寬×厚)150×110樓梯板厚110

3 時程分析

3.1 最大位移反應

在罕遇地震下，人們最關心的是結(jié)構(gòu)的最大位移和結(jié)構(gòu)進入塑性狀態(tài)的情況，通過確定樓梯在三種地震波輸入時的最大位移點及對比此點三個方向位移—時程反應可以發(fā)現(xiàn)，三種地震波的位移時程響應規(guī)律基本類似，樓梯的最大位移均在Y方向，El-Centro波的最大位移為85.8 mm，唐山波的最大位移為96.8 mm，人工波的最大位移為82.6 mm。三種波的最大位移發(fā)生時結(jié)構(gòu)變形圖見圖5、圖6和圖7。

罕遇地震情況下結(jié)構(gòu)位移的時程曲線如圖8所示，通過對比發(fā)現(xiàn)：

1)板式剪刀梯在EI波作用下最大位移出現(xiàn)時間最早，在唐山波作用下出現(xiàn)的位移最大，說明不同的地震波有不同的頻譜，雖然樓梯在不同地震波作用下的響應存在異同，但最大位移的發(fā)生位置均相同，都為樓梯段中部。

2)樓梯在罕遇地震發(fā)生且加速峰值較大時，結(jié)構(gòu)單元的動態(tài)響應隨加速度變化呈非線性變化，此時樓梯結(jié)構(gòu)處于彈塑性階段，各節(jié)點圍繞平衡位置振動。從圖8可以看出，板式剪刀梯在罕遇地震下產(chǎn)生了很明顯的塑性變形。

3)對于同一節(jié)點，即使所采用的加速度峰值相同，其在不同地震波作用下的響應也存在很大差異。

3.2 最大應力反應

構(gòu)件在塑性狀態(tài)下的反應是結(jié)構(gòu)在地震作用下最直觀的反應，在大震情況下，結(jié)構(gòu)的動態(tài)反應情況如表2所示。

三種地震波在Y向作用下的應力圖(見圖9)。

表2 結(jié)構(gòu)在大震作用下的應力反應

從應力云圖可見，人工波作用下板式剪刀梯的響應最為強烈。在地震發(fā)生時，對結(jié)構(gòu)破壞起主要作用的是地震初期的沖擊，從表2可見，唐山波作用下結(jié)構(gòu)進入塑性階段的實際是0.23 s，其最大應力已達到所選用C30混凝土抗壓強度，主要破壞部位在平臺梁端部。EI波作用下結(jié)構(gòu)進入塑性時間為1.08 s，樓梯主要破壞部位同唐山波，也是位于樓梯梁部位。在人工波作用下結(jié)構(gòu)進入塑性的時刻最晚，為6.56 s，樓梯破壞部位位于樓梯梁和樓梯段中部。

4 結(jié)論

本文從高層常見的板式剪刀梯入手，分析了其在三種不同地震波作用下的動力響應，通過對比發(fā)現(xiàn)：

1)板式剪刀梯在文中三種不同地震作用下，樓梯的最大位移均由豎向地震波導致，且地震波不同，樓梯的響應強烈程度不同。

2)板式剪刀梯在文中三種地震波作用下，破壞部位主要發(fā)生在平臺梁部位，其次是樓梯段中部。