型鋼混凝土閥廳中不同支撐形式的Pushover分析

高 湛，楊 超，魏文暉

(1.中南電力設計院有限公司,武漢 430071;2.武漢理工大學道路橋梁與結構工程湖北省重點實驗室，武漢 430070)

采用型鋼混凝土結構替代全混凝土結構和鋼結構，用于閥廳結構的主體結構，可較好的解決現階段存在的承載力、延性和耐久性等問題。型鋼混凝土具備良好的抗曲屈防失穩能力和較好的承載水平，也有不錯的耐久性使得其獲得廣泛的應用[1-3]。在混凝土中增加型鋼，提高了純混凝土結構的抗側能力，對抵抗地震和風荷載等水平作用提供了較大幫助。

支撐結構是型鋼混凝土閥廳結構中重要的組成，支撐的設置可以提高型鋼混凝土框架結構的抗側能力，從而保證閥廳結構在較大的地震作用下的安全。X形和人字形支撐是較為典型的支撐形式[4]，前者剛度較大可以抵抗較大水平荷載，后者則方便儀器設備和車輛通行，實際使用中均有各自的優勢。為對比分析兩種不同形式支撐的性質及對整體閥廳結構的影響，采用靜力非線性Pushover的分析法，研究了不同形式支撐形式下結構的抗倒塌性質。

1 模型的建立和塑性鉸的定義

選用實際工程中，某型鋼混凝土閥廳結構中具有代表性的一跨為研究對象，采用SAP2000建立了型鋼混凝土斜支撐結構的有限元分析模型。建模中采用框架單元來模擬實際結構中的柱、梁和斜撐，并將型鋼混凝土斜支撐結構分為人字形和X形兩種情形來考慮，模型示意如圖1,圖2所示。

進行靜力非線性的Pushover分析前，需要進行定義塑性鉸以進行后期彈塑性分析。和理論分析不同，軟件可以直接將塑性鉸置于所需要研究的位置，并直接進行定義。對框架結構，可以通過對面—面間的關聯作用進行定義，對定義的塑性鉸采用離散元方式，而其他未被定義的則依然保持彈性。基于塑性鉸與普通鉸的差別，塑性鉸有一定長度，該長度由設計者自行定義。軟件在具體分析中，一般以離散點替代塑性鉸的方式進行具體分析。

在具體的塑性鉸定義中，還需要考慮N-M曲線進行選擇和分析，如圖3所示的曲線代表了荷載-位移變形也同時是控制點的代表。如圖3所示，其中A點為初始點，B點代表鉸屈服點，C點代表鉸承載力的損失。B、C點間的IO、LS、CP代表在塑性鉸中的不同作用力，與正常使用、極限的破壞和倒塌損毀三個階段相對應。

利用圖3的曲線進行非線性靜力分析，其中B為屈服點，B點前的彈性段，塑性鉸為剛性的，而C點為承載力的極限點，即滿足承載力極限狀態，D為殘余強度，達到E點則意味著結構完全破壞，無法繼續存在。BC和CD之間可由設計者自行設置其斜率。對塑性鉸可以利用設計自定義的方式進行。對于框架梁而言，需要分析剪力和彎矩，因此依據彎矩和剪力定義塑性鉸；柱受到偏心受壓作用，因此定義軸力和彎矩的共同鉸；支撐受力相對簡單，僅定義軸向力即可。

2 Pushover分析過程

采用軟件分析時，需定義分析的動力/靜力條件和是否非線性，基于Pushover的定義，選擇非線性靜力的選項。具體的分析中包含初步的荷載施加的方式，分析過程中的參數的設置和后期求解方式。因進行的彈塑性非線性分析，塑性鉸引起的塑性內力重分布在具體分析中需要注意[5,6]。

Pushover 分析通常從施加垂直載荷開始，包括重力載荷和其他附加垂直載荷；水平荷載的加載方式可以采用多種方式，施加時，可以從初始的零應力狀態開始，也可完成初步分析的上一個子分析步后，開始下一個步驟。荷載的施加一般按比例進行，初始荷載施加后，按比例逐步進行后續的施加，其中初始的荷載的比例系數一般為0，隨加載過程，后續的荷載比例系數會增加。荷載停止時，結構將形成機構退出工作。荷載的分析一般有位移或荷載加載方式，與試驗分析近似。使用位移控制加載時，需要提前指定位移應用的監測點。使用這種控制加載，程序需要預先估算每一步加載位移所需的載荷值，然后等效地應用到結構上。當結構的承載力不能預知，或結構在分析中容易出現失穩問題時，應采用位移控制。分析的每個時間步長都需要求解非線性方程。同時，在具體的求解中還需要對剛度矩陣進行重構和求解，直至得出收斂解，否則需要將分析步縮小并重新運算。

當鉸鏈需要卸荷時，應先卸除鉸鏈的載荷，并以一定的方式將載荷施加到其他結構上。SAP2000軟件中最常用的內力再分配方法有：卸載整個結構荷載，局部再分配外加荷載，用割線剛度再分配。該模型在Pushover條件下施加載荷采用位移控制，分析控制參數參照模型極限位移定義。

3 Pushover分析結果

利用有限元模型，并依據第2部分的分析過程，可以得出兩種支撐的自振周期如表1所示。

表1 不同支撐類別的自振周期對比

表1中數據表明X形型鋼混凝土斜支撐的周期明顯小于人字形支撐的，證明X形支撐的剛度大于人字形的支撐，同時兩種不同支撐的Pushover曲線如圖4所示，其中模型A為X形支撐，模型B為人字形支撐。由曲線顯然可以得出：X形型鋼混凝土斜支撐結構的極限水平承載力大于人字形型鋼混凝土斜支撐結構的。

人字形和X形支撐的塑性鉸的最初和最終發展結果如圖5～圖8所示，根據整體分析結果和塑性發展過程圖，可得人字形支撐的順序為斜撐—梁—柱。通過引入支撐，使得原本出現在梁、柱上的塑性鉸，逐步移到了支撐，而通過支撐的破壞耗能，替代了因框架柱破壞而導致的結構整體破壞和倒塌。同人字形類似，X形支撐的破壞形式也是先支撐，后梁柱，X形支撐的存在也極大的提高了整體結構的承載力和耗能能力。最終的結構的承載力下降，并非梁柱的破壞，而是支撐部分退出工作所引起的，支撐的存在極大的緩解了結構的倒塌。

4 結 論

選取某實際型鋼混凝土閥廳結構為原型，依據其中典型的X形和人字形支撐建立有限元模型并進行研究。在明確了非線性靜力Pushover分析法的原理、過程之后，對其進行了非線性靜力的Pushover分析，并將分析結果進行對比，得出以下結論：

a.從周期角度而言，X形型鋼混凝土斜支撐結構比人字形的小，從而證明其剛度較高，而對承載力的分析也發現，前者的承載力明顯超過了后者。

b.對支撐的Pushover的分析過程得出：無論是X形或人字形，均較好的實現了塑性鉸轉移而產生的內力重分布，支撐的破壞先于梁柱結構的破壞，導致梁柱的破壞較難產生，從而提高了結構的整體承載力和抗倒塌性能，顯示了良好的抗震性能。