非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)在多維地震作用下的分析

郭麗艷，徐東強(qiáng)

（河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津300401）

非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)在多維地震作用下的分析

郭麗艷，徐東強(qiáng)

（河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津300401）

為研究非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)在多維地震作用下的反應(yīng)，利用有限元軟件建立非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的分析模型，考慮地震豎向扭轉(zhuǎn)分量的影響，分析非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)在汶川地震波和El-Centro地震波3種工況下（單向、雙向、雙向加扭轉(zhuǎn)）的地震反應(yīng)，得到非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的層間位移角曲線、扭轉(zhuǎn)角曲線、軸力圖、剪力圖和扭矩圖.結(jié)果表明：在相同地震波作用下，非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的層間位移角、扭轉(zhuǎn)角、軸力、剪力及扭矩在多維地震作用下明顯大于單向地震作用下.地震的豎向扭轉(zhuǎn)分量對(duì)非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)角和扭矩影響較大.在不同地震波作用下，非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的層間位移角、扭轉(zhuǎn)角、軸力、剪力及扭矩在El地震作用下要明顯大于汶川地震作用下.所以對(duì)非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)進(jìn)行多維、多組地震作用下的分析很有必要.

非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)；多維地震；豎向扭轉(zhuǎn)分量；有限元分析

非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)因具有獨(dú)特的外形而受到設(shè)計(jì)師的青睞[1]，同時(shí)此種結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力狀況也較為復(fù)雜，因此對(duì)非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能研究意義重大[2].國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)進(jìn)行了許多分析和研究[3-9]，但對(duì)非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)考慮地震扭轉(zhuǎn)分量的研究還不夠全面.本文利用ANSYS軟件建立非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，考慮地震豎向扭轉(zhuǎn)分量的影響，對(duì)結(jié)構(gòu)分別在汶川地震波和El-Centro地震波3種工況下（單向、雙向、雙向加扭轉(zhuǎn)）的動(dòng)力反應(yīng)進(jìn)行分析，得到了結(jié)構(gòu)的層間位移角、扭轉(zhuǎn)角、軸力、剪力和扭矩的分析結(jié)果.

1 建立有限元模型

本文所建非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度為8度，結(jié)構(gòu)總高度為36.9 m，左塔樓為10層，右塔樓為8層，結(jié)構(gòu)底層層高為4.5 m，其它各層層高均為3.6 m，框架梁尺寸為0.3 m×0.6 m，框架柱尺寸為0.6 m×0.6 m，結(jié)構(gòu)的連接大梁位于非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的5層、6層，尺寸為0.5 m×1.0 m.本文有限元模型結(jié)構(gòu)底部柱是完全固結(jié)的，未考慮土體與結(jié)構(gòu)相互作用的影響.非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)層平面布置如圖1所示，利用ANSYS建立非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的有限元分析模型如圖2所示.

圖1 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖Fig.1 The standard floor plan of structure

圖2 結(jié)構(gòu)有限元分析模型Fig.2 The finite element analysis model of structures

1.1 單元類(lèi)型

本文采用BEAM189梁?jiǎn)卧M梁和柱. BEAM189梁?jiǎn)卧荰imoshenko梁元，考慮了剪切變形的影響，適于分析細(xì)長(zhǎng)梁和適度深梁，適合分析線性、大角度轉(zhuǎn)動(dòng)或非線性大應(yīng)變問(wèn)題.SHELL181殼單元存在彎曲和薄膜效應(yīng)，主要模擬平板與曲殼類(lèi)結(jié)構(gòu)，其具有應(yīng)力硬化以及大變形能力，適用于線性以及大變形非線性問(wèn)題的分析.本文采用SHELL181殼單元模擬樓板.

1.2 材料本構(gòu)關(guān)系

本文中單元本構(gòu)關(guān)系模型為雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，通過(guò)彈性模量、屈服應(yīng)力和切線模量定義應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，符合Von Mises屈服準(zhǔn)則和隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則，采用雙折線彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系.

1.3 地震波輸入

本文選取汶川地震波和El-Centro地震波，峰值加速度值按8度設(shè)防調(diào)整為400 cm/s2，汶川地震波和El-Centro地震波的平動(dòng)分量加速度時(shí)程曲線和豎向扭轉(zhuǎn)分量加速度時(shí)程曲線分別如圖3和圖4所示.

圖3 汶川地震波Fig.3 Wenchuan earthquake wave

1.4 阻尼常數(shù)的確定

圖4 El-Centro地震波Fig.4 El-Centro earthquake wave

2 彈塑性動(dòng)力分析

2.1 結(jié)構(gòu)的層間位移角

非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)分別在汶川地震波和El地震波3種工況下（單向、雙向和雙向加扭轉(zhuǎn)）的層間位移角曲線如圖5所示.

圖5結(jié)果表明，非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的層間位移角曲線有大致相同的變化趨勢(shì)，且最大層間位移角都出現(xiàn)在第2層，故第2層為結(jié)構(gòu)的薄弱層.非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)高低兩塔樓的層間位移角在連接體以下差別較小，在連接體以上差別逐漸變大且高塔樓明顯大于低塔樓.非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的層間位移角在雙向地震作用下明顯大于單向地震作用下，但在雙向加扭轉(zhuǎn)地震作用下只略大于雙向地震作用下，說(shuō)明地震波的豎向扭轉(zhuǎn)分量對(duì)結(jié)構(gòu)的層間位移角影響較小.對(duì)比不同地震波對(duì)非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)構(gòu)的層間位移角在El地震作用下要明顯大于汶川地震作用下.

圖5 層間位移角曲線Fig.5 Inter layer displacement angle curves

2.2 結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)角

非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)在汶川地震波和El地震波3種工況下（單向、雙向和雙向加扭轉(zhuǎn)）的扭轉(zhuǎn)角曲線如圖6所示.

圖6結(jié)果表明，非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)角曲線有大致相同的變化趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)底層的扭轉(zhuǎn)角較小并隨樓層的增加而增大.非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)高低兩塔樓的扭轉(zhuǎn)角在連接體以下差別很小，在連接體以上差別逐漸變大，高塔樓的扭轉(zhuǎn)角在連接體以上明顯大于低塔樓.非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)角在汶川地震波3種工況下（單向、雙向和雙向加扭轉(zhuǎn)）差別并不明顯，但多維地震作用下較單向地震作用下也稍有增加.在El地震作用下，非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)角在雙向地震作用下大于單向地震作用下，在雙向加扭轉(zhuǎn)地震作用下較雙向地震作用下的增加則更為明顯，說(shuō)明El地震波的豎向扭轉(zhuǎn)分量對(duì)非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)角有較大影響.對(duì)比不同地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)角在El地震作用下明顯大于汶川地震作用下.

圖6 結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)角曲線Fig.6 Structure torsion angle curves

2.3 結(jié)構(gòu)的受力分析

2.3.1 結(jié)構(gòu)的軸力分析

非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)在汶川地震波和El地震波雙向加扭轉(zhuǎn)工況下的軸力圖如圖7所示.圖中結(jié)果表明，非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的軸力有大體一致的變化趨勢(shì)，底層軸力較大向上逐漸減小，高塔樓軸力值大于低塔樓.

非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)在汶川地震波和El地震波3種工況下（單向、雙向和雙向加扭轉(zhuǎn)）的軸力最值對(duì)比結(jié)果如表1所示.從表1中結(jié)果可以看出，在相同地震波作用下，非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)邊柱和角柱的軸力在雙向地震作用下明顯大于單向地震作用下，在雙向加扭轉(zhuǎn)地震作用下略大于雙向地震作用下，非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)中柱的軸力在各工況下變化不大.這說(shuō)明多維地震對(duì)非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)邊柱和角柱的軸力影響較大，對(duì)中柱軸力影響很小.非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)邊柱和角柱的軸力在El地震作用下要明顯大于汶川地震作用下，中柱軸力則相差不大.

圖7 結(jié)構(gòu)軸力圖Fig.7 Axial force graphs of structure

表1 結(jié)構(gòu)柱的軸力最值Tab.1 Maximum axial force of structural column

2.3.2 結(jié)構(gòu)的剪力分析

非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)在汶川地震波和El地震波雙向加扭轉(zhuǎn)工況下的剪力圖如圖8所示.從圖中結(jié)果可以看出，非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的剪力變化趨勢(shì)大體一致，底部剪力較大，隨著樓層的增加逐漸減小.

非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)在汶川地震波和El地震波3種工況下（單向、雙向和雙向加扭轉(zhuǎn)）的剪力最值對(duì)比結(jié)果如表2所示.從表中對(duì)比結(jié)果可以看出，非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)高低兩塔樓的剪力值相差不大.在相同地震波作用下，非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的剪力在雙向地震作用下要明顯大于單向地震作用下，在雙向加扭轉(zhuǎn)地震作用下較雙向地震作用下也有所增加，這說(shuō)明多維地震作用對(duì)非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的剪力有一定影響.非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的剪力在El地震作用下明顯大于汶川地震作用下.

圖8 結(jié)構(gòu)剪力圖Fig.8 Shear force graphs of structure

表2 結(jié)構(gòu)柱的剪力最值Tab.2 Maximum shear force of structural column

2.3.3 結(jié)構(gòu)的扭矩分析

非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)在汶川地震波和El地震波雙向加扭轉(zhuǎn)工況下的扭矩圖如圖9所示.從圖中結(jié)果可以看出，非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的扭矩變化趨勢(shì)大體一致，結(jié)構(gòu)底部扭矩值較大，隨著樓層的增加逐漸減小.

非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)在汶川地震波和El地震波3種工況下（單向、雙向和雙向加扭轉(zhuǎn)）的扭矩最值對(duì)比結(jié)果如表3所示.從表中對(duì)比結(jié)果可以看出，非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)高塔樓的扭矩值大于低塔樓.相同地震波作用下，非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的扭矩值在雙向地震作用下大于單向地震作用下，在雙向加扭轉(zhuǎn)地震作用下較雙向地震作用下的增加則更為明顯，說(shuō)明地震的豎向扭轉(zhuǎn)分量對(duì)非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的扭矩影響較大.對(duì)比不同地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的扭矩在El地震作用下明顯大于汶川地震作用下.

圖9 結(jié)構(gòu)扭矩圖Fig.9 Torque graphs of structure

表3 結(jié)構(gòu)柱的扭矩最值Tab.3 Maximum torque of structural column

3 結(jié)論

通過(guò)以上分析得出非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)在汶川地震波和El地震波3種工況下的分析結(jié)果：

1）同一地震波作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移角在多維地震作用下明顯大于單向地震作用下，地震的豎向扭轉(zhuǎn)分量對(duì)結(jié)構(gòu)的層間位移角影響較小.

2）El地震作用下，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)角在雙向加扭轉(zhuǎn)地震作用下較雙向和單向地震作用下有明顯增加，El地震波的豎向扭轉(zhuǎn)分量對(duì)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)角有較大影響.

3）在同一地震波作用下，結(jié)構(gòu)邊柱和角柱的軸力在多維地震作用下明顯大于單向地震作用下，中柱軸力變化很小.邊柱和角柱的軸力在El地震作用下要明顯大于汶川地震作用下，中柱軸力變化亦不大.

4）在同一地震波作用下，結(jié)構(gòu)的剪力在多維地震作用下明顯大于單向地震作用下，多維地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)剪力有一定的影響.

5）在同一地震波作用下，結(jié)構(gòu)的扭矩在雙向加扭轉(zhuǎn)地震作用下較雙向和單向地震作用下有明顯增加，地震的豎向扭轉(zhuǎn)分量對(duì)結(jié)構(gòu)的扭矩影響較大.

6）對(duì)比不同地震波的影響，結(jié)構(gòu)的層間位移角、扭轉(zhuǎn)角、軸力、剪力和扭矩在El地震作用下明顯大于汶川地震作用下.

綜上所述，非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力在多維地震和不同地震波下的反應(yīng)較為復(fù)雜，對(duì)非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu)進(jìn)行多維、多組地震作用下的分析很有必要.

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[責(zé)任編輯 楊屹]

Analysis of asymmetric connected structure under multi-dimensional earthquake

Guo Liyan，Xu Dongqiang
（School of Civil and Transportation Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin,300131,China）

In order to study the response of asymmetric connected structure under multi-dimensional earthquake action, the analysis model of asymmetric connected structure was established by using the finite element software.Considering the influence of earthquake vertical torsional component,it was used in the analysis of the reaction of asymmetrical connected structure under the three conditions(unidirectional earthquake,bidirectional earthquake,bidirectional and torsional earthquake)of the Wenchuan earthquake wave and El-Centro earthquake wave.The results of asymmetric connected structures are obtained,including inter layer displacement angle curves,torsion angle curves,axial force graphs,shear force graphs and torque graphs.The results show that,under the same earthquake wave action,the interlayer displacement angle,torsion angle,axial force,shear force and torque of asymmetric connected structure under multi-dimensional earthquake are obviously larger than that under unidirectional earthquake.The vertical torsional component of earthquake has a great influence on torsion angle and torque of asymmetric connected structure.Under different earthquake wave actions,the interlayer displacement angle,torsion angle,axial force,shear force and torque of asymmetric connected structure under the El earthquake are significantly larger than that under the Wenchuan earthquake.So it is very necessary to analyze the asymmetrical connected structure under multi dimension and multi group earthquake.

asymmetric connected structure;multi-dimensional earthquake;vertical torsional component;finite element analysis

TU375.4

A

1007-2373（2017）04-0099-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.04.017

2016-12-30

河北省自然科學(xué)基金（E2013202118）

郭麗艷（1984-），女，博士研究生，guoliyan2009@126.com.通訊作者：徐東強(qiáng)（1957-），男，教授，博士，xudq58@163.com.