型鋼混凝土閥廳中不同支撐形式的Pushover分析

高 湛，楊 超，魏文暉

(1.中南電力設(shè)計(jì)院有限公司,武漢 430071;2.武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)替代全混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，用于閥廳結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)，可較好的解決現(xiàn)階段存在的承載力、延性和耐久性等問題。型鋼混凝土具備良好的抗曲屈防失穩(wěn)能力和較好的承載水平，也有不錯(cuò)的耐久性使得其獲得廣泛的應(yīng)用[1-3]。在混凝土中增加型鋼，提高了純混凝土結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力，對(duì)抵抗地震和風(fēng)荷載等水平作用提供了較大幫助。

支撐結(jié)構(gòu)是型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)中重要的組成，支撐的設(shè)置可以提高型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力，從而保證閥廳結(jié)構(gòu)在較大的地震作用下的安全。X形和人字形支撐是較為典型的支撐形式[4]，前者剛度較大可以抵抗較大水平荷載，后者則方便儀器設(shè)備和車輛通行，實(shí)際使用中均有各自的優(yōu)勢。為對(duì)比分析兩種不同形式支撐的性質(zhì)及對(duì)整體閥廳結(jié)構(gòu)的影響，采用靜力非線性Pushover的分析法，研究了不同形式支撐形式下結(jié)構(gòu)的抗倒塌性質(zhì)。

1 模型的建立和塑性鉸的定義

選用實(shí)際工程中，某型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)中具有代表性的一跨為研究對(duì)象，采用SAP2000建立了型鋼混凝土斜支撐結(jié)構(gòu)的有限元分析模型。建模中采用框架單元來模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)中的柱、梁和斜撐，并將型鋼混凝土斜支撐結(jié)構(gòu)分為人字形和X形兩種情形來考慮，模型示意如圖1,圖2所示。

進(jìn)行靜力非線性的Pushover分析前，需要進(jìn)行定義塑性鉸以進(jìn)行后期彈塑性分析。和理論分析不同，軟件可以直接將塑性鉸置于所需要研究的位置，并直接進(jìn)行定義。對(duì)框架結(jié)構(gòu)，可以通過對(duì)面—面間的關(guān)聯(lián)作用進(jìn)行定義，對(duì)定義的塑性鉸采用離散元方式，而其他未被定義的則依然保持彈性?；谒苄糟q與普通鉸的差別，塑性鉸有一定長度，該長度由設(shè)計(jì)者自行定義。軟件在具體分析中，一般以離散點(diǎn)替代塑性鉸的方式進(jìn)行具體分析。

在具體的塑性鉸定義中，還需要考慮N-M曲線進(jìn)行選擇和分析，如圖3所示的曲線代表了荷載-位移變形也同時(shí)是控制點(diǎn)的代表。如圖3所示，其中A點(diǎn)為初始點(diǎn)，B點(diǎn)代表鉸屈服點(diǎn)，C點(diǎn)代表鉸承載力的損失。B、C點(diǎn)間的IO、LS、CP代表在塑性鉸中的不同作用力，與正常使用、極限的破壞和倒塌損毀三個(gè)階段相對(duì)應(yīng)。

利用圖3的曲線進(jìn)行非線性靜力分析，其中B為屈服點(diǎn)，B點(diǎn)前的彈性段，塑性鉸為剛性的，而C點(diǎn)為承載力的極限點(diǎn)，即滿足承載力極限狀態(tài)，D為殘余強(qiáng)度，達(dá)到E點(diǎn)則意味著結(jié)構(gòu)完全破壞，無法繼續(xù)存在。BC和CD之間可由設(shè)計(jì)者自行設(shè)置其斜率。對(duì)塑性鉸可以利用設(shè)計(jì)自定義的方式進(jìn)行。對(duì)于框架梁而言，需要分析剪力和彎矩，因此依據(jù)彎矩和剪力定義塑性鉸；柱受到偏心受壓作用，因此定義軸力和彎矩的共同鉸；支撐受力相對(duì)簡單，僅定義軸向力即可。

2 Pushover分析過程

采用軟件分析時(shí)，需定義分析的動(dòng)力/靜力條件和是否非線性，基于Pushover的定義，選擇非線性靜力的選項(xiàng)。具體的分析中包含初步的荷載施加的方式，分析過程中的參數(shù)的設(shè)置和后期求解方式。因進(jìn)行的彈塑性非線性分析，塑性鉸引起的塑性內(nèi)力重分布在具體分析中需要注意[5,6]。

Pushover 分析通常從施加垂直載荷開始，包括重力載荷和其他附加垂直載荷；水平荷載的加載方式可以采用多種方式，施加時(shí)，可以從初始的零應(yīng)力狀態(tài)開始，也可完成初步分析的上一個(gè)子分析步后，開始下一個(gè)步驟。荷載的施加一般按比例進(jìn)行，初始荷載施加后，按比例逐步進(jìn)行后續(xù)的施加，其中初始的荷載的比例系數(shù)一般為0，隨加載過程，后續(xù)的荷載比例系數(shù)會(huì)增加。荷載停止時(shí)，結(jié)構(gòu)將形成機(jī)構(gòu)退出工作。荷載的分析一般有位移或荷載加載方式，與試驗(yàn)分析近似。使用位移控制加載時(shí)，需要提前指定位移應(yīng)用的監(jiān)測點(diǎn)。使用這種控制加載，程序需要預(yù)先估算每一步加載位移所需的載荷值，然后等效地應(yīng)用到結(jié)構(gòu)上。當(dāng)結(jié)構(gòu)的承載力不能預(yù)知，或結(jié)構(gòu)在分析中容易出現(xiàn)失穩(wěn)問題時(shí)，應(yīng)采用位移控制。分析的每個(gè)時(shí)間步長都需要求解非線性方程。同時(shí)，在具體的求解中還需要對(duì)剛度矩陣進(jìn)行重構(gòu)和求解，直至得出收斂解，否則需要將分析步縮小并重新運(yùn)算。

當(dāng)鉸鏈需要卸荷時(shí)，應(yīng)先卸除鉸鏈的載荷，并以一定的方式將載荷施加到其他結(jié)構(gòu)上。SAP2000軟件中最常用的內(nèi)力再分配方法有：卸載整個(gè)結(jié)構(gòu)荷載，局部再分配外加荷載，用割線剛度再分配。該模型在Pushover條件下施加載荷采用位移控制，分析控制參數(shù)參照模型極限位移定義。

3 Pushover分析結(jié)果

利用有限元模型，并依據(jù)第2部分的分析過程，可以得出兩種支撐的自振周期如表1所示。

表1 不同支撐類別的自振周期對(duì)比

表1中數(shù)據(jù)表明X形型鋼混凝土斜支撐的周期明顯小于人字形支撐的，證明X形支撐的剛度大于人字形的支撐，同時(shí)兩種不同支撐的Pushover曲線如圖4所示，其中模型A為X形支撐，模型B為人字形支撐。由曲線顯然可以得出：X形型鋼混凝土斜支撐結(jié)構(gòu)的極限水平承載力大于人字形型鋼混凝土斜支撐結(jié)構(gòu)的。

人字形和X形支撐的塑性鉸的最初和最終發(fā)展結(jié)果如圖5～圖8所示，根據(jù)整體分析結(jié)果和塑性發(fā)展過程圖，可得人字形支撐的順序?yàn)樾睋巍骸?。通過引入支撐，使得原本出現(xiàn)在梁、柱上的塑性鉸，逐步移到了支撐，而通過支撐的破壞耗能，替代了因框架柱破壞而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)整體破壞和倒塌。同人字形類似，X形支撐的破壞形式也是先支撐，后梁柱，X形支撐的存在也極大的提高了整體結(jié)構(gòu)的承載力和耗能能力。最終的結(jié)構(gòu)的承載力下降，并非梁柱的破壞，而是支撐部分退出工作所引起的，支撐的存在極大的緩解了結(jié)構(gòu)的倒塌。

4 結(jié) 論

選取某實(shí)際型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)為原型，依據(jù)其中典型的X形和人字形支撐建立有限元模型并進(jìn)行研究。在明確了非線性靜力Pushover分析法的原理、過程之后，對(duì)其進(jìn)行了非線性靜力的Pushover分析，并將分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出以下結(jié)論：

a.從周期角度而言，X形型鋼混凝土斜支撐結(jié)構(gòu)比人字形的小，從而證明其剛度較高，而對(duì)承載力的分析也發(fā)現(xiàn)，前者的承載力明顯超過了后者。

b.對(duì)支撐的Pushover的分析過程得出：無論是X形或人字形，均較好的實(shí)現(xiàn)了塑性鉸轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生的內(nèi)力重分布，支撐的破壞先于梁柱結(jié)構(gòu)的破壞，導(dǎo)致梁柱的破壞較難產(chǎn)生，從而提高了結(jié)構(gòu)的整體承載力和抗倒塌性能，顯示了良好的抗震性能。