雙向張拉索-混凝土結(jié)構(gòu)的抗震分析

張振宇，秦乃兵，劉俊英

(河北聯(lián)合大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北唐山 063009)

0 引言

隨著國家建筑技術(shù)水平的提升，大跨度結(jié)構(gòu)將越來越受青睞，索-混凝土組合結(jié)構(gòu)［1］作為一種新型雜交結(jié)構(gòu)，可以使得不同材料充分發(fā)揮其各自的優(yōu)異特性。隨著改革開放取得成功，建筑領(lǐng)域迅猛發(fā)展，促成了更多大跨結(jié)構(gòu)的建成。目前，國內(nèi)外研究較多的結(jié)構(gòu)多為拉索拱結(jié)構(gòu)，索承網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等，且多為單向張弦梁結(jié)構(gòu)［2］，其抗側(cè)性與穩(wěn)定性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及雙向張弦梁結(jié)構(gòu)［3］［4］強。對雙向張拉索-混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究更是少之又少。因此，考慮到這類結(jié)構(gòu)比較柔，且阻尼比小，以及在建筑結(jié)構(gòu)中的重要性和破壞帶來的經(jīng)濟損失和社會影響，搞清結(jié)構(gòu)的振動特性，避免強振作用下影響到結(jié)構(gòu)的正常使用及安全;對結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)研究，搞清結(jié)構(gòu)的動力特性，研究適合分析方法及建造技術(shù)是非常具有現(xiàn)實意義的。

1 索-混凝土組合結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)模型簡介

為更好的研究雙向張拉索-混凝土組合結(jié)構(gòu)的抗震性能，模型的各項參數(shù)保持不變，將地震波輸入到一兩層兩跨的雙向張拉索-混凝土組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，深入了解其抗震特性。建好的ANSYS模型如下圖1。

圖1 雙向張拉索-混凝土結(jié)構(gòu)模型

2 索-混凝土組合結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析過程

利用ANSYS軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行時程分析［5-7］的一般步驟:

1)建立模型，施加約束條件;

2)在ANSYS工作目錄下，建立地震波數(shù)據(jù)文本文件，注意數(shù)據(jù)格式要一致;

3)讀取地震波;

4)選擇分析類型，設(shè)置分析選項;

5)求解;

時間歷程分析過程為多時間段求解問題，故需要編制一命令流語句，通過導(dǎo)入命令語言，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解。命令流語言如下:

6)查看結(jié)果。

3 索-混凝土組合結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)結(jié)果分析

3.1 模型節(jié)點編號

將所分析的結(jié)構(gòu)沿X方向輸入天津波、美國EL-Centro波，通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析，將相對稱或是受力特點相類似的節(jié)點取其一半進(jìn)行研究，故選取了如下圖所示的20個節(jié)點分析在上述三種地震波下的響應(yīng)［8］［9］。為更清晰的反應(yīng)實際情況，便于分析，將該模型的20個節(jié)點進(jìn)行編號，如圖2所示。

圖2 索-混凝土結(jié)構(gòu)框架模型示意圖

3.2 節(jié)點的應(yīng)力反應(yīng)

1)天津波作用下節(jié)點應(yīng)力反應(yīng)

將具有不同特性的幾類節(jié)點應(yīng)用到模型中，在X方向輸入天津波。通過分析對比各類節(jié)點在X，Y，Z三方向的應(yīng)力反應(yīng)各不相同，各類節(jié)點的最大應(yīng)力反應(yīng)如圖3。

圖3 天津地震波作用下節(jié)點應(yīng)力反應(yīng)

由圖3可知，一、二層節(jié)點應(yīng)力變化基本趨于一致，初始時刻應(yīng)力反應(yīng)較小，隨時間變化，應(yīng)力逐漸增長，達(dá)到峰值后，又逐漸減小，最后趨近于零。節(jié)點1和2、5和6、11和12、13和14、17和18、19和20在0.7 s前后變化劇烈，達(dá)到峰值，節(jié)點3和4、7和8、15和16在1.3 s達(dá)到峰值，節(jié)點9和10因在角點位置，在0.3s就已達(dá)到峰值。索的應(yīng)力反應(yīng)最大，達(dá)96MPa?？傮w來看，不會造成混凝土破壞，節(jié)點處于安全狀態(tài)。

2)美國EL-Centro波作用下節(jié)點應(yīng)力反應(yīng)

將具有不同特性的幾類節(jié)點應(yīng)用到模型中，在X方向輸入美國EL-Centro波。通過分析對比各類節(jié)點在X，Y，Z三方向的應(yīng)力反應(yīng)各不相同，各類節(jié)點的最大應(yīng)力反應(yīng)如圖4。

圖4 EL-Centro地震波作用下節(jié)點應(yīng)力反應(yīng)

由圖4可知，一、二層節(jié)點應(yīng)力變化基本趨于一致，初始時刻應(yīng)力反應(yīng)較小，隨時間變化，應(yīng)力逐漸增長，達(dá)到峰值后，又逐漸減小，最后趨近于零。節(jié)點1和2、3和4、5和6、9和10、19和20在1.0 s前后變化劇烈，達(dá)到峰值，節(jié)點11和12、13和14、15和16、17和18在1.3 s達(dá)到峰值，跨中節(jié)點7和8在0.6 s就已達(dá)到峰值。索的應(yīng)力反應(yīng)最大，達(dá)110MPa?？傮w來看，不會造成混凝土破壞，節(jié)點處于安全狀態(tài)。

根據(jù)該結(jié)構(gòu)選取的十組共20個節(jié)點在二種不同地震波作用下的應(yīng)力時程曲線可以看出:

(1)整體結(jié)構(gòu)所有節(jié)點的時程曲線都呈現(xiàn)衰減趨勢。

(2)整體結(jié)構(gòu)除索位置節(jié)點外，二層的節(jié)點應(yīng)力反應(yīng)大于一層相應(yīng)位置的節(jié)點應(yīng)力反應(yīng)。

(3)由節(jié)點5和6的3組應(yīng)力時程曲線可以看出，索單元的應(yīng)力變化較大，最大時可達(dá)120MPa，最小時卻接近于0，因此索在地震作用下，會發(fā)生較大的變形，在工程應(yīng)用中應(yīng)注意索的松弛現(xiàn)象。

4 結(jié)論

根據(jù)索-混凝土組合結(jié)構(gòu)的受力性能和其構(gòu)造特點，地震波選用典型的天津波、美國EL-Centro波，利用時間歷程分析法，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震作用下的響應(yīng)分析。通過以上時間歷程曲線，可以看出:

1)結(jié)構(gòu)的十類節(jié)點在天津波、美國EL-Centro波二類地震波作用下的應(yīng)力反應(yīng)不同，由于梁的跨度較大，混凝土梁跨中附近的反應(yīng)較大。

2)結(jié)構(gòu)在美國EL-Centro波作用下，所有節(jié)點的應(yīng)力反應(yīng)較天津波作用下相應(yīng)位置明顯。此時的最大應(yīng)力都在規(guī)范限值要求之內(nèi)，十類節(jié)點都處于安全狀態(tài)。

3)在不同地震波作用下，索-混凝土組合結(jié)構(gòu)剛度不大，是一種較柔的結(jié)構(gòu)。

索作為一種柔性材料，在不同地震激勵下，其應(yīng)力反應(yīng)比較大，會發(fā)生較大的變形，反應(yīng)劇烈，不穩(wěn)定。因此，該結(jié)構(gòu)在實際工程應(yīng)用中，應(yīng)注意索的松弛現(xiàn)象。

隨著大跨結(jié)構(gòu)的發(fā)展，尤其是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)運用到大跨度的理論不斷深入，雙向張拉索-混凝土組合結(jié)構(gòu)與網(wǎng)架和網(wǎng)殼等這些新型組合結(jié)構(gòu)相比，在靜力性能上具有優(yōu)越性，在結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方面、動力響應(yīng)特性、風(fēng)振分析及施工成形分析的研究有待深化。這些都將直接影響結(jié)構(gòu)的工程經(jīng)濟，同時對工程實踐有著很現(xiàn)實的指導(dǎo)意義，對于索-混凝土結(jié)構(gòu)更深入研究，發(fā)展及應(yīng)用有著重要的影響和深遠(yuǎn)的意義。

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