下部支承對網殼結構強震響應影響規律研究

陳 強

(中國地震局工程力學研究所，中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150000)

網殼結構由于其構造簡單、造型優美，被廣泛應用于建筑結構中。支旭東[1-2]對網殼結構簡諧荷載、地震動作用下的失效機理做了研究，提出了網殼結構動力失穩破壞和強度破壞兩種失效模式。聶桂波[3]利用ABAQUS對單層柱面網殼進行了考慮材料累計損傷的參數化分析，總結網殼結構的失效規律。之后，Nie[4]基于前邊研究開展地震模擬振動臺試驗，繼續深入研究了單層柱面網殼結構的強震失效模式。基于此，本文在柱面網殼基礎上設計雙層傾斜柱面網殼，并對其下部支承部分重要參數下的強震響應規律開展研究。

1 雙層傾斜柱面網殼有限元模型

1.1 結構參數選取

規范[5]規定網殼結構的長度L、矢高f、厚度t、網格尺寸均由寬度B控制，基于此選擇網殼有限元模型寬度L=B=18m、厚度t=1.5m，矢跨比1/5，網殼部分網格尺寸為2m，桿件尺寸根據MST滿應力設計確定。選取下部支承高度分別為h1；h2=6；9m(模型A)、h1；h2=9；12m(模型B)、h1；h2=12；15m(模型C)。以柱截面尺寸模擬下部支承剛度，截面尺寸分別為400mm×20mm(模型D)、600mm×20mm(模型E)、800mm×20mm(模型F)、1 000mm×20mm(模型G)。通過改變模型下部支承參數來研究相關參數下的結構動力響應結果。選取6條地震動，采用逐步增加地震動幅值的方式對模型進行地震動輸入，篇幅所限本文以蘆山地震動LSF波和人工地震動RG波為例進行總結。

1.2 有限元模型設計

模型取恒荷載0.5kN/m2，活荷載取0.2kN/m2，以集中荷載的形式均勻添加至上弦節點之上。有限元模型簡化為下部支承柱與網殼下弦球節點相連，由于桿件尺寸遠大于螺栓球(直徑200mm)尺寸，因此將球節點簡化為點質量，桿件和支承柱采用考慮橫向剪切變形的B31梁單元，桿件材料采用基于ABAQUS編寫的累積損傷本構模型，支承柱采用彈性本構模型，其他規定不再贅述。有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2 下部支承結構參數強震響應規律

2.1 下部支承高度對結構影響規律探究

為了研究結構下部支承對網殼強震響應的影響規律，建立下部支承高度分別為h1；h2=6；9m(模型A)、h1；h2=9；12m(模型B)、h1；h2=12；15m(模型C)的三組有限元模型，三組模型支承柱截面尺寸600×20mm，網殼厚度1.5m，矢跨比1/5，網殼水平兩方向長度均為18m。選取殼心三向加速度和豎向最大位移作為動力響應輸出結果。圖2(a)(b)(c)(d)分別為結構在不同下部支承高度下的動力響應結果。由圖可以看到，隨著結構輸入地震動幅值大小的增加，結構殼心動力響應結果也在明顯變大，模型A、B、C 在RG波和LSF波下的失效極限荷載分別為0.7g、0.6g、0.5g ；0.8g，0.7g、0.6g，即結構隨著高度增加更容易發生破壞，且由圖2(d)看出破壞時曲線急劇變化，即結構出現倒塌。這是因為隨著結構高度增加，相同地震動下柱頂加速度增大，網殼通過柱頂的傳遞獲得了更大的加速度，即下部支承高度的增加引起柱頂動力響應放大效應的增強，繼而引起網殼動力響應增大。

(a)X向加速度峰值(b)Y向加速度峰值(c)Z向加速度峰值(d)最大節點位移圖2 不同支承高度下動力響應峰值結果

2.2 下部支承剛度對結構影響規律探究

選取柱截面尺寸分別為400mm×20mm(模型D)，600mm×20mm(模型E)，800mm×20mm(模型F)，1 000mm×20mm(模型G)，的四個模型，下部支承柱高度為h1;h2=6,9m，網殼厚度1.5m，矢跨比1/5，網殼水平兩方向長度均為18m。圖3(a)(b)(c)(d)為結構在不同支承剛度下的動力響應結果，由圖可以看出，模型D、E、F、G 在RG波和LSF波下的失效極限荷載分別為1.0g、 0.7g、 0.6g、 1.0g； 1.2g、 1.0g、 0.8g、 1.0g，隨著柱截面尺寸的增加，結構加速度、位移極值先增加后減小，極限失效荷載先減小后增加，說明下部支承剛度對結構抗震能力影響并非線性的，當下部支承剛度趨近于無窮大時，相當于結構下部支承為剛體而不會產生加速度、位移，而通過對結構合理的設計，即使選取較小的下部支承剛度，結構也會具有良好的抗震性能。

(a)X向加速度峰值(b)Y向加速度峰值(c)Z向加速度峰值(d)最大節點位移圖3 不同支承剛度下動力響應峰值結果

3 結 論

本文建立雙層傾斜柱面網殼模型，并通過有限元軟件ABAQUS對結構下部支承參數進行一系列動力響應分析，得到網殼結構下部支承高度和下部支承剛度的強震響應規律，總結如下。

(1)下部支承高度影響規律。隨著支承高度的增加，柱頂對輸入加速度放大效應變強，導致網殼動力響應增大，結構更容易發生破壞。

(2)下部支承剛度影響規律。隨著下部支承剛度的增加，動力響應先增加后減小，結構抗震能力先減小后增強，即合適的下部支承剛度以及較大的下部剛度都會提升結構的抗震能力，網殼下部剛度設計要結合經濟性和實用性合理選取。