長懸臂鋼結(jié)構(gòu)桁架極限地震下破壞模式優(yōu)化

張 旭 紅

(太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引言

某高鐵客運站候車大廳主體結(jié)構(gòu)屋蓋采用多柱長懸臂鋼結(jié)構(gòu)桁架，該結(jié)構(gòu)以每根鋼柱及其長懸臂為一個受力單元，按照懸臂端連接的方式組合而成結(jié)構(gòu)體系。由于結(jié)構(gòu)體系新穎，功能重要，投資巨大，因此結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的防倒塌設(shè)計十分重要。本文對結(jié)構(gòu)輸入符合場地特征的極限地震波進行彈塑性時程分析，以結(jié)構(gòu)破壞過程中的彈塑性變形耗能性能為指標(biāo)，對其破壞模式進行了優(yōu)化。所謂極限地震是指對結(jié)構(gòu)足以造成嚴(yán)重的地震。結(jié)構(gòu)在極限地震下的破壞模式對結(jié)構(gòu)的常規(guī)設(shè)計具有明確的參考價值。

1 多柱長懸臂鋼結(jié)構(gòu)桁架屋蓋結(jié)構(gòu)特征

單柱長懸臂鋼結(jié)構(gòu)桁架屋蓋單側(cè)懸臂長度28 m，多柱組合后柱間跨度為56 m。單柱受力單元平面如圖1所示。該結(jié)構(gòu)所有桿件為焊接方形截面，桿件之間為相貫節(jié)點連接，結(jié)構(gòu)中典型節(jié)點如圖2所示。根據(jù)常規(guī)設(shè)計結(jié)果，單柱懸臂端與根部桿件平均應(yīng)力比為0.62，極差0.08，表明原設(shè)計各部位構(gòu)件應(yīng)力比在常規(guī)設(shè)計工況下較為均勻。

2 極限地震波選取與材料本構(gòu)關(guān)系

極限地震波合理選取對結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析結(jié)果影響巨大。選擇符合Ⅲ類場地的豎向地震波作為極限巨震輸入，并調(diào)整振幅使結(jié)構(gòu)達到嚴(yán)重破壞，峰值加速度8 000 mm/s2，見圖3。

鋼材本構(gòu)關(guān)系采用三折線彈塑性模型，Q235和Q345兩種鋼材的本構(gòu)關(guān)系如圖4所示，彈性模量為206 GPa，泊松比0.3，鋼材密度7 850 kg/m3。

本文應(yīng)用ABAQUS有限元分析軟件進行建模，該軟件建模方便，能夠較好的模擬鋼材的性質(zhì)。ABAQUS軟件具有非常強大的求解非線性問題及大型復(fù)雜問題的能力，能夠較為準(zhǔn)確的對結(jié)構(gòu)進行彈塑性時程分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，采用B32梁單元來模擬各類型鋼和鋼管。

3 極限地震作用下破壞模式優(yōu)化

將所選極限地震波輸入結(jié)構(gòu)模型，彈塑性動力時程分析結(jié)果表明：破壞主要集中在柱兩側(cè)懸臂根部各三個節(jié)間內(nèi)的構(gòu)件上，如圖5，圖6所示。這表明結(jié)構(gòu)在極限地震下為整體垮塌的破壞模式。分析原因發(fā)現(xiàn)，雖然原設(shè)計各部位構(gòu)件應(yīng)力比在常規(guī)設(shè)計工況下較為均勻，但由于懸臂根部集中有較多質(zhì)量，故破壞集中在了懸臂根部。為使結(jié)構(gòu)在極限地震下破壞部位離開懸臂根部而轉(zhuǎn)移至懸臂端部，從而有效保護懸臂根部構(gòu)件在極限地震作用下的安全，修改懸臂端構(gòu)件應(yīng)力比平均值，使其提高到0.75，懸臂根部構(gòu)件應(yīng)力比均值下降至0.55，整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力比極差修正為0.15。

由圖7可知，多柱連接部位的懸臂端部構(gòu)件應(yīng)力比提高后，結(jié)構(gòu)在極限地震作用下，結(jié)構(gòu)破壞部位由懸臂根部三個節(jié)間轉(zhuǎn)移到了懸臂端部的四個節(jié)間；由圖8可知，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)比優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)彈塑性變形耗能增大了20%，表明結(jié)構(gòu)在極限地震下的破壞模式得到了明顯優(yōu)化，從而避免了結(jié)構(gòu)在極限地震下的整體垮塌。

4 結(jié)語

為避免多柱長懸臂鋼結(jié)構(gòu)桁架屋蓋在極限地震下的整體垮塌破壞，應(yīng)保護立柱與懸臂根部構(gòu)件的安全。通過弱化多柱連接的懸臂端部的構(gòu)件，提高其平均應(yīng)力比，使其在極限地震中能夠較早地進入塑性階段，吸收大多地震能量，破壞有效地保護了立柱與懸臂根部構(gòu)件的安全。本文方法對多柱長懸臂鋼結(jié)構(gòu)桁架屋蓋的常規(guī)設(shè)計提供了有益的參考價值。

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