棗莊體育場索桁屋蓋結(jié)構(gòu)罕遇地震分析方法

李瑞雄

(現(xiàn)代建筑設(shè)計集團(tuán)上海建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200041)

車輻式張拉結(jié)構(gòu)主要由外壓環(huán)、內(nèi)拉環(huán)以及介于兩者之間的拉索或者索桁架組成，平面內(nèi)自平衡，該結(jié)構(gòu)體型較為新穎，已在國外(2009年，科威特·賈比爾艾哈邁德體育場)和國內(nèi)(2010年，深圳寶安體育場)［1］相繼建成。棗莊體育場索桁屋蓋結(jié)構(gòu)體系是在對經(jīng)典索桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)后得到的，本文為該類結(jié)構(gòu)的抗震分析提供一種分析方法，為工程設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 工程概況

棗莊體育場是目前國內(nèi)最大的平面橢圓形空間馬鞍形索桁結(jié)構(gòu)之一，效果圖見圖1。屋蓋為索桁結(jié)構(gòu)，呈馬鞍形，平面投影直徑為260 m×233 m 的橢圓形，共有48 榀索桁架，索桁架懸挑長度48.5 m，索網(wǎng)上覆膜材。為了協(xié)調(diào)屋面效果及次結(jié)構(gòu)布置，對典型的索桁架進(jìn)行改進(jìn)，改變上徑向索布置，改為雙向交叉。屋蓋索網(wǎng)承受屋面荷載，并傳到環(huán)梁上，通過下部“拉花”和26 根環(huán)向斜柱支撐，整個結(jié)構(gòu)與建筑造型完美統(tǒng)一。

圖1 體育場效果圖

2 幾何模型及邊界條件

體育場屋蓋計算幾何模型見圖2，屋蓋為通過張緊上下內(nèi)環(huán)索，通過上下徑向索傳遞到外壓環(huán)上，與外壓環(huán)三者形成自平衡結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。屋面部分由上弦呈菱形網(wǎng)格索網(wǎng)組成、下弦為肋向布置的拉索，上下內(nèi)環(huán)索之間用飛柱支撐形成雙層結(jié)構(gòu)體系。

圖2 棗莊體育場幾何模型

3 地震分析

3.1 模態(tài)分析

首先對體育場整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)自振特性及自振周期。結(jié)構(gòu)具有剛度和質(zhì)量是模態(tài)分析的基本條件，柔性索網(wǎng)結(jié)構(gòu)在找形、施加預(yù)應(yīng)力后具有剛度。計算重力荷載代表值，根據(jù)規(guī)范活載組合值系數(shù)0.5。軟件根據(jù)密度可計算出結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的質(zhì)量，編制程序?qū)⑽菝婧爿d及活載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量進(jìn)行模態(tài)和抗震分析。第一振型見圖3。

圖3 體育場第一階振型（T1=2.07 s）

3.2 抗震分析目標(biāo)及方法

針對此工程的特殊性，以期達(dá)到以下抗震性能目標(biāo):

1)評價結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性行為，根據(jù)主要構(gòu)件的塑性損傷和整體變形情況，對混凝土構(gòu)件根據(jù)損傷因子大小確定結(jié)構(gòu)是否滿足“大震不倒”的設(shè)防水準(zhǔn)要求。

2)保證大震下索網(wǎng)及相連節(jié)點(diǎn)彈性，不斷索，環(huán)梁及支柱在大震下彈性。

使用ABAQUS 軟件，采用非線性隱式動力法進(jìn)行動力彈塑性時程分析方法。根據(jù)文獻(xiàn)［3］為了偏于安全混合結(jié)構(gòu)阻尼比取0.03。

3.3 地震波選取

本工程選取的三條地震加速度時程分別為US169a(82.14 s)和US223a(43.62 s)兩條天然波和一條L755(60 s)人工波。其中各地震波的頻譜特性曲線見圖4，均與規(guī)范反應(yīng)譜一致。

圖4 地震波的譜特性

3.4 大震時程分析

大震時程分析得到各條波作用下各構(gòu)件內(nèi)力、位移等，下面僅取人工波作用下主要構(gòu)件內(nèi)力、應(yīng)力和位移結(jié)果如下:

圖5 表明下環(huán)索最大內(nèi)力為33 500 kN，根據(jù)設(shè)計資料單根破斷荷載為5 910 kN，下環(huán)索為8 根索，極限承載力為58 560 kN，結(jié)構(gòu)安全，根據(jù)鋼索應(yīng)力結(jié)果可知，鋼索仍然處于彈性階段。圖6可知受壓環(huán)梁最大應(yīng)力為228 MPa，環(huán)梁在大震下未屈服。圖7可知鋼斜支柱最大應(yīng)力為170 MPa，均未屈服，處于彈性階段。圖8 可知索網(wǎng)最大位移為0.43 m，屋蓋在大震作用下出現(xiàn)較大抖動，膜結(jié)構(gòu)變形能力強(qiáng)，整體滿足變形要求。

圖5 大震時程分析下環(huán)索內(nèi)力

圖6 大震時程分析環(huán)梁最大應(yīng)力

圖7 大震時程分析鋼斜支柱應(yīng)力

圖8 大震時程分析索網(wǎng)位移

從以上分析結(jié)果構(gòu)件內(nèi)力可知，體育場大震下索網(wǎng)彈性，不斷索，鋼結(jié)構(gòu)都處于彈性狀態(tài)，均滿足大震抗震目標(biāo)。

拉花節(jié)點(diǎn)區(qū)配筋率為3.3%，中部桿件配筋率2%時大震損傷因子，增大配筋率后，拉花損傷情況大為改觀，僅有與地面連接節(jié)點(diǎn)區(qū)少部分區(qū)域損傷因子大于0.8，大部分結(jié)構(gòu)仍然具有承載能力，只要加強(qiáng)局部節(jié)點(diǎn)區(qū)可認(rèn)為結(jié)構(gòu)安全，不發(fā)生倒塌，實現(xiàn)大震不倒的抗震目標(biāo)。

4 結(jié)語

利用ABAQUS 有限元軟件對棗莊體育場結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計及抗震分析，從計算結(jié)果可知，體育場屋蓋結(jié)構(gòu)具有很好的抗震性能，支撐柱及拉花也能滿足抗震性能目標(biāo)，可以得到以下結(jié)論:

1)可以利用ABAQUS 對體育場索桁屋蓋進(jìn)行找形分析，施加預(yù)應(yīng)力，通過調(diào)用子程序?qū)⒑奢d轉(zhuǎn)化為質(zhì)量，并對恒活載作用后進(jìn)行抗震分析。

2)充分利用ABAQUS 非線性計算的強(qiáng)大能力進(jìn)行彈塑性動力時程分析，可以實現(xiàn)索膜柔性結(jié)構(gòu)大震分析，得到性能特征，棗莊體育場屋蓋索網(wǎng)及鋼結(jié)構(gòu)大震下彈性，抗震性能較好。

3)體育場等混合結(jié)構(gòu)大震時程分析，需要建立整體模型才能真實反映地震波的傳遞過程，合理的阻尼比也是該類混合結(jié)構(gòu)抗震分析的關(guān)鍵。

4)采用基于材料本構(gòu)的非線性時程性能化分析，既可考慮各階頻率對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的貢獻(xiàn)，又可清楚看到結(jié)構(gòu)損傷情況及分布。

［1］郭彥林，王 昆，孫文波，等.寶安體育場結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵問題研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2013，34(5):11-19.

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［4］陳澤赳，張曉光，黃 濤.某三維空間剛架結(jié)構(gòu)抗震及穩(wěn)定性能分析［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2012，28(3):88-94.

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［6］周 知，錢 江，黃 維，等.復(fù)雜結(jié)構(gòu)在重復(fù)地震序列作用下的損傷性能研究［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2013，29(4):76-81.