多肢圆钢管桩的抗震性能分析.pdf

202310Building Construction2106多肢圆钢管桩的抗震性能分析余细东 周荣丰 钱立振 谈勋勋中建五局第三建设有限公司 湖南 长沙 410004摘要：运用大型有限元软件ANSYS建立了某项目售楼部的多肢加固圆钢管桩结构精细有限元模型。对该结构进行静力分析和模态分析，以验证有限元模型的有效性，并得到该结构的自振特性。在模态分析和反应谱分析的基础上，选用Elcentro波、Taft波对该结构进行7度（0.1g）多遇地震和罕遇地震作用下的时程分析。结果表明：该结构的结构平面布置较合理；在多遇地震单独作用下，构件均处于弹性工作状态，应力水平均较低，地震作用并非此结构设计的控制性荷载；在重力荷载代表值与多遇地震、罕遇地震作用下，钢材均未进入屈服阶段，该结构抗震性能良好。关键词：多肢；圆钢管桩；模态分析；抗震性能分析中图分类号：TU755 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)10-2106-05 DOI：10.14144/ki.jzsg.2023.10.046Seismic Performance Analysis of Multi-limbs Circular Steel Pipe PilesYU Xidong ZHOU Rongfeng QIAN Lizhen TAN XunxunChina Construction Fifth Engineering Bureau the Third Construction Co.,Ltd.,Changsha 410004,Hunan,ChinaAbstract:A detailed finite element model of a multi-limbs circular steel pipe pile structure in a sales department of a certain project is established using the large-scale finite element software ANSYS.The static and modal analysis is performed on the structure to verify the effectiveness of the finite element model and obtain the natural vibration characteristics of the structure.On the basis of modal analysis and response spectrum analysis,Elcentro waves and Taft waves are selected to conduct time history analysis of the structure under 7-degree(0.1 g)frequent and rare earthquakes.The results indicate that the structural plane layout of this structure is relatively reasonable;under the action of multiple earthquakes alone,the components are in an elastic working state,with low stress levels,and seismic action is not a controlling load in the design of this structure;under the representative value of gravity load and the action of frequent and rare earthquakes,the steel does not enter the yield stage,and the seismic performance of this structure is good.Keywords:multi-limbs;circular steel pipe piles;modal analysis;seismic performance analysis罕遇地震作用下，结构的变形、内力分析方法等，以期开展该结构的抗震性能评价。1 工程概况某项目售楼部位于开发地块的东北角，建筑平面呈矩形，长64.3 m，宽27 m；地上为3层钢筋混凝土框架结构，层高5.5 m；地下为5层地下室，拟开挖深度为25.5 m。由于项目开发时间紧，售楼部需要提前完工使用。为此，将售楼部框架柱设计立于基坑钢格构柱之上，格构柱底部按“一柱一桩”设置立柱桩。售楼部上部主体结构及精装修整体完工并投入使用后，其使用功能需求发生了变化，导致上部结构荷载增大，采用两肢、四肢、八肢圆钢管桩桩顶液压千斤顶进行加固卸载处理，圆钢管桩规格为P245 mm12 mm，水平支撑采用10#槽钢，斜支撑采用80 mm6 mm角钢，钢材均为Q355B。圆钢管桩持力层为中粗砂夹卵砾石层，桩端进入持力层不小于0.5 m；桩全长不小于40 m，从地下室基础底板顶面悬出长度18 m；单桩承载力特征值为800 kN；圆钢管桩布置如图1、图2所示。该结构的抗震设防烈度为7度（0.1g），类场地，设目前，建筑物在改建、加固及逆作施工多层地下室过程中，或多或少存在建筑物基础（立柱）承载力不足等问题，严重影响建筑物的正常使用，需对基础（立柱）进行加固处理。常规的静压桩托换加固主要采用钢管桩、混凝土预制桩施工。在国内，已有学者研究了在不同参数情况下，圆钢管柱-钢梁节点的破坏特征和抗震性能1-3以及在不同参数情况下，圆钢管柱的抗震性能4-7，但缺少对多肢圆钢管桩在水平地震作用下的反应分析研究。本文根据实际的设计施工图，运用大型有限元软件ANSYS建立了某项目售楼部的多肢加固圆钢管桩结构精细有限元模型，分别对其进行模态分析、谱分析和时程分析。结合时程分析法和振型分解反应谱法，研究该类结构抗震分析的有限元建模方法、动力特性分析以及在多遇与作者简介：余细东（1991），男，硕士，助理工程师。通信地址：湖北省武汉市武昌区绿地楚峰大厦22楼（430062）。电子邮箱：收稿日期：2023-04-07科学研究SCIENTIFIC RESEARCH建筑施工第45卷第10期2107计地震分组为第1组；钢材重度取78.5 kN/m3。售楼部框架柱钢管桩格构柱承台地下部分地上部分 图1 圆钢管桩平面布置 图2 圆钢管桩托2 有限元模型的建立与验证2.1 单元类型的选择圆钢管桩、水平支撑和斜支撑均采用具备拉压、弯曲和扭转能力的三维线性有限应变梁单元Beam188来模拟。2.2 材料本构模型简化圆钢管桩、水平支撑和斜支撑的钢材选取双线性随动强化模型，钢材为理想弹塑性材料，屈服强度为355 MPa，服从von Mises屈服准则；通过ANSYS12.0自身的自由度约束功能，约束圆钢管桩基础底板顶面处所有节点全部方向的自由度，有限元仿真模型如图3所示。XXXYYYZZZ（a）两肢桩（b）四肢桩（c）八肢桩图3 有限元分析模型2.3 有限元模型的验证自重按照1.3倍考虑，各圆钢管桩顶均施加轴压力800 kN；对该结构进行静力分析，以验证有限元模型的有效性。圆钢管桩、水平支撑和斜支撑位移、应力云图，如图4和图5所示。由静力分析的结果可知：1）该结构位移表现为竖向累积变形，最大位移为8.97 mm，位于桩顶处。2）该结构钢材最大应力值为103.3 MPa且小于钢材屈服强度。（a）两肢桩（b）四肢桩（c）八肢桩图4 位移云图（a）两肢桩（b）四肢桩（c）八肢桩图5 应力云图3）该结构的位移和应力均在合理范围内，有限元模型是有效的。3 模态分析和反应谱分析3.1 模态分析结构的模态分析是进行结构动力性能分析的基础，将圆钢管桩承载的恒荷载（DL）和活荷载（LL）按（DL0.5LL）组合，再考虑该结构其他构件的自重，就可得到该结构的重力荷载代表值，采用Block Lanczos法进行模态分析可得到该结构的振动特性。结构前3阶振型如图6所示，结构前6阶频率如表1所示。由模态分析的结果可知：1）该结构的前3个自振周期为X、Y向的平动周期和绕Z向的扭转周期。2）该结构的第1扭转周期和第1平动周期之比，均小于0.85，满足文献8的要求。3.2 多遇地震作用下的反应谱分析正常情况下，应至少分别计算建筑结构的2个主轴方向的水平地震作用，由对应方向的抗侧力构件承担对应同方 余细东、周荣丰、钱立振、谈勋勋:多肢圆钢管桩的抗震性能分析202310Building Construction2108第一振型第二振型第三振型（a）两肢桩 第一振型第二振型第三振型（b）四肢桩第一振型第二振型第三振型（c）八肢桩图6 前三阶振型表1 模型的前6阶频率振型肢数频率/Hz肢数频率/Hz肢数频率/Hz1两肢0.68四肢5.32八肢4.6024.335.946.4634.789.056.8146.2610.927.75510.4017.7610.33612.6221.2411.00 向的水平地震作用效应9。该结构在7度（0.1g）多遇地震作用时，采用振型分解反应谱法，阻尼比为0.04，水平地震影响系数最大值取0.08，特征周期取0.35 s8。反应谱采用单点单向输入，输入点为结构的底部，分别沿水平X和Y方向输入。在振型分解反应谱法计算中，各阶振型效应组合按平方和开平方法（SRSS法）。由反应谱分析的结果（表2）可知：表2 模型的最大应力、最大位移（反应谱法）肢数X向反应谱Y向反应谱最大应力/MPa最大位移/mm最大应力/MPa最大位移/mm两肢3.851.145.0419.36四肢4.891.183.060.89八肢3.380.714.501.721）该结构在单向反应谱作用下，与其同向的水平位移随着高度的增大而增加，最大水平位移均发生在桩顶。2）该结构在不同方向的反应谱作用下，钢材未屈服，结构整体应力水平均较低，结构抗震性能良好，也说明地震作用并非此结构设计的控制性荷载。3）第一振型方向反应谱对结构产生的响应大于第二振型方向反应谱产生的响应，可考虑仅沿结构的第一振型方向输入地震作用。4 时程分析 4.1 多遇地震作用下的时程分析建筑结构的地震反应主要与峰值加速度、地震持时和场地土性质等有较大的关系。7度（0.1g）多遇地震作用时，采用时程分析法，选用2条天然地震波Elcentro波（南北向）、Taft波（东西向），地震波加速度最大值均取0.35 m/s2。地震波均采用单点单向地震输入，输入点为结构的底部，仅沿结构的第一振型方向输入；以上2条地震波记录时间长度均为15 s，记录的时间间隔均为0.02 s。该结构采用Rayleigh阻尼cmk，时程分析采用Newmark-法，积分参数采用0.502、0.252 5。对该结构进行应力响应分析时，将重力荷载代表值的效应（SGE）和水平地震作用标准值的效应（SEhk）按（1.2SGE1.3SEhk）进行组合8。多遇地震作用时，地震波时程曲线如图7所示。4002000200400加速度/（mms2）4002000200400加速度/（mms2）（a）Elcentro波03691215时间/s03691215时间/s（b）Taft波图7 地震波时程曲线（多遇地震）由图8、图9计算结果可知：该结构在Elcentro波、Taft波（多遇地震）作用下，水平位移随着高度的增大余细东、周荣丰、钱立振、谈勋勋:多肢圆钢管桩的抗震性能分析建筑施工第45卷第10期2109而增加，最大水平位移均发生在桩顶，分别为14.98 mm和18.59 mm（两肢桩）、0.38 mm和0.37 mm（四肢桩）、0.54 mm和0.52 mm（八肢桩）；顶层最大水平加速度分别为704.23 mm/s2和664.41 mm/s2（两肢桩）、167.48 mm/s2和151.09 mm/s2（四肢桩）、224.48 mm/s2和191.06 mm/s2（八肢桩）。8004000400800Elcentro波Taft波加速度/（mms2）2001000100200加速度/（mms2）（a）两肢桩时间/s02468 10 12 14（b）四肢桩时间/s0246810 12 14Elcentro波Taft波（c）八肢桩时间/s0246810 12 143001500150300加速度/（mms2）Elcentro波Taft波图8 多遇地震作用下顶层水平加速度时程曲线2010010200.50.40.30.20.100.10.20.30.40.5位移/mm位移/mm0.60.40.200.20.40.6位移/mmElcentro波Taft波（a）两肢桩时间/s0246810 1214（b）四肢桩时间/s02468 10 12 14Elcentro波Taft波Elcentro波Taft波（c）八肢桩时间/s0246810 12 14图9 多遇地震作用下顶层水平位移时程曲线由表3可知：该结构在Elcentro波、Taft波（多遇地震）和重力荷载代表值作用下，最大应力分别为98.12 MPa和98.09 MPa（两肢桩）、100.09 MPa和100.09 MPa（四肢桩）、103.39 MPa和103.43 MPa（八肢桩）。表3 模型的最大应力（时程分析法，多遇地震）肢数Elcentro波Taft波最大应力/MPa发生时刻/s最大应力/MPa发生时刻/s两肢98.122.1898.094.98四肢100.090.34100.090.34八肢103.390.26103.430.304.2 罕遇地震作用下的时程分析7度（0.1g）罕遇地震作用时，采用时程分析法，选用2条天然地震波Elcentro波（南北向）、Taft波（东西向），地震波加速度最大值均取2.2 m/s2。地震波均采用单点单向地震输入，输入点为结构的底部，仅沿结构的第一振型方向输入；以上2条地震波记录时间长度均为15 s，记录的时间间隔均为0.02 s。该结构采用Rayleigh阻尼，时程分析采用Newmark-法。对该结构进行应力响应分析时，将重力荷载代表值的效应（SGE）和水平地震作用标准值的效应（SEhk）按（1.2SGE1.3SEhk）进行组合8。由图10、图11计算结果可知：该结构在Elcentro波、Taft波（罕遇地震）作用下，水平位移随着高度的增大而增加，最大水平位移均发生在桩顶，分别为94.16 mm和116.86 mm（两肢桩）、2.39 mm和2.30 mm（四肢桩）、3.34 mm和3.29 mm（八肢桩）；顶层最大水平加速度分别为4 426.59 mm/s2和4 176.28 mm/s2（两肢桩）、1 052.73 mm/s2和949.69 mm/s2（四肢桩）、1 410.99 mm/s2和1 200.92 mm/s2（八肢桩）。5 0002 50002 5005 0001 5001 00050005001 0001 500Elcentro波Taft波Elcentro波Taft波（a）两肢桩时间/s0246810 12 14（b）四肢桩时间/s02468 10 12 14Elcentro波Taft波1 5001 00050005001 0001 500（c）八肢桩时间/s0246810 12 14加速度/（mms2）加速度/（mms2）加速度/（mms2）图10 罕遇地震作用下顶层水平加速度时程曲线2001000100200加速度/（mms2）6420246加速度/（mms2）（a）两肢桩时间/s0246810 12 14（b）四肢桩时间/s0246810 12 14Elcentro波Taft波Elcentro波Taft波6420246加速度/（mms2）（c）八肢桩 时间/s0246810 12 14Elcentro波Taft波图11 罕遇地震作用下顶层水平位移时程曲线余细东、周荣丰、钱立振、谈勋勋:多肢圆钢管桩的抗震性能分析202310Building Construction2110由表4可知：该结构在Elcentro波、Taft波（罕遇地震）和重力荷载代表值作用下，最大应力分别为122.88 MPa和128.21 MPa（两肢桩）、100.08 MPa和100.08 MPa（四肢桩）、103.45 MPa和103.39 MPa（八肢桩）。表4 模型的最大应力（时程分析法，罕遇地震）肢数Elcentro波Taft波最大应力/MPa发生时刻/s最大应力/MPa发生时刻/s两肢122.886.10128.219.20四肢100.080.34100.080.42八肢103.452.14103.397.745 结语1）该结构的前3个自振周期为X、Y向的平动周期和绕Z向的扭转周期；该结构的第1扭转周期和第1平动周期之比，均小于0.85，满足规范要求，结构平面布置较合理。2）在多遇地震和罕遇地震作用下，该结构的水平位移随着高度的增大而增加，最大水平位移均发生在桩顶。3）第一振型方向反应谱对结构产生的响应大于第二振型方向反应谱产生的响应，可考虑仅沿结构的第一振型方向输入地震作用。4）在多遇地震单独作用下，构件都处于弹性工作状态，应力水平均较低，地震作用并非此结构设计的控制性荷载；在重力荷载代表值与多遇地震、罕遇地震作用下，钢材均未进入屈服阶段，该结构抗震性能良好。余细东、周荣丰、钱立振、谈勋勋:多肢圆钢管桩的抗震性能分析5）利用ANSYS对该结构进行地震分析，校验了结构设计方案的合理性。研究结果在加固结构抗震设计方面，具有较高的应用价值和指导意义。1 薛建阳,翟磊,魏志粉,等.传统风格建筑圆钢管柱-箱形截面双梁 节点受力性能试验研究与承载力计算J.工程力学,2017,34(2):189-196.2 徐培蓁,陈超,杨雷,等.盖板式外加强环圆钢管柱-H形钢梁节点抗 震性能的有限元分析J.建筑钢结构进展,2021,23(2):14-21.3 刘伟,王俊平.装配式圆钢管柱-钢梁节点抗震性能试验研究J.世 界地震工程,2021,37(1):41-47.4 郭展,陈誉,李志慧.冲击荷载作用后圆钢管柱抗震性能与恢复力模 型研究J.建筑结构学报,2022,43(8):112-123.5 李海锋,洪依萍,骆杰鑫,等.内嵌耗能壳板高强钢圆钢管桥墩抗震 性能J.中国矿业大学学报,2022,51(4):769-778.6 南子森.可恢复功能的圆钢管墩柱抗震性能研究D.泉州:华侨大 学,2019.7 丁晓东.圆钢管构件在复杂受力状态下的滞回特性研究D.北京:北京交通大学,2017.8 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范:GB 50011 2010S.北京:中国建筑工业出版社,2010.9 中华人民共和国住房和城乡建设部.高层建筑混凝土结构技术 规程:JGJ 32010S.北京:中国建筑工业出版社,2010.（上接第2105页）要进行额外计算评估。此外，本文所述方法中钢立柱基于格构柱进行计算，当钢立柱采用钢管柱或方钢管柱时，计算方法同样适用，仅需调整相应的截面特性即可。1 余群舟,孙博文,骆汉宾,等.塔吊事故统计分析J.建筑安全,2015,30(11):10-13.2 张潇,张伟.塔式起重机安全事故统计分析J.工业安全与环保,2019,45(9):24-29.3 唐琳瑶,祁神军,叶云珊,等.2-4模型及关联规则下塔吊坍塌事故 致因分析J.华侨大学学报(自然科学版),2022,43(3):323-329.4 况宇琦,赵挺生,蒋灵,等.塔式起重机事故案例关联规则挖掘与分 析J.中国安全科学学报,2021,31(7):137-142.5 中华人民共和国住房和城乡建设部.塔式起重机混凝土基础工程 技术规程:JGJ/T 1872019S.北京:中国建筑工业出版社,2019.6 高加林.格构式塔式起重机基础设计与施工技术案例浅析J.施工 技术,2016,45(增刊2):74-77.7 静恩鹏,袁远,王庆贺.格构式塔式起重机基础施工在建筑工程中的 应用J.建筑技术开发,2021,48(17):152-154.8 张军,王荣,王永泉,等.高桩承台塔式起重机基础钢格构柱安全性 分析与监控J.建筑技术,2019,50(12):1487-1490.9 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑地基基础工程施工质量 验收标准:GB 502022018S.北京:中国计划出版社,2018.10 李子旭.塔吊位置偏心情况下的承台基桩效应计算与设计研究J.建筑施工,2016,38(5):649-651.11 沈祖炎,陈扬骥,陈以一.钢结构基本原理M.2版.北京:中国建筑工 业出版社,2010.