考虑SSI影响的钢管混凝土框架模态分析.pdf

第2 5 卷第3 期 2 0 0 8年 9月 华中科技大学学报( 城市科学版) J ． o f HUS T．( Ur b a n S c i e n c e E d i t i o n) Vo 1 ． 2 5 NO ． 3 S e p ． 2 0 0 8 考虑 S S I 影响的钢管混凝土框架模态分析 姜绍飞 ，杜 权 2 ，吴兆旗 ( 1 ． 福州大学 土木 学院 ，福建 福 州 3 5 0 1 0 8 ；2 ． 沈阳建筑大学 土木学院 ，辽 宁 沈阳 1 1 0 1 6 8 ) 摘要 ：为了进一步 了解土 体对 其上部结构动力特性 的影响 ，对土体采 用弹簧一 阻尼单元进行 模拟，建立一个 四层 圆钢 管混凝土框架结构在考 虑土一 结构相互作用( S S D的有 限元分析模型 。为 了比较 ，建立了相同结构底部 刚接的结构体系模型。对两种结构体系的动力特性参数进行了分析比较，发现考虑 S S I 影响的结构 自振频率比 底部刚接的自振频率要小，降低的幅度在 7 ． 6 4 ％1 3 ． 0 6 ％之间；高阶振型变化明显。研究表明，S S I 对钢管混 凝土框架的动力特性有一定的影响，在其抗震设计和结构损伤检测方面应该进行适当地考虑。 关键词：土一 结构相互作用 ：钢管混凝土： 模态分析：有限元分析 中图分类号：T U3 9 8 + ． 2 ；T u 3 1 1 ． 3 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 2 — 7 0 3 7 ( 2 0 0 8 ) 0 3 — 0 0 2 7 ． 0 4 由于钢管混凝土具有优越 的力学性能和先进 的技术指标而得到了日益广泛地应用⋯， 人们对钢 管混凝土各类构件在静力方面和疲劳方面 的性能 都做了大量的试验研究与理论分析 ，但对其整体 抗震性能和动力特性方面的研 究相对较少 。土与 其上的结构物作为一个共 同工作 的整体系统 ，它 在荷载作用下， 其界面处的应力和应变有其特定的 交联关系， 这种交联关系即相互作用( s s D口 J 。 近几 年来 ，考虑 S S I对结构动力特性的影响受到了人 们的重视 ，而在实际工程中的房屋桥梁等结构的 模态特性参数也确实不 同程度地受到地基作用的 影响。 本文利用有限元 A NS YS软件，建立 了一个圆 钢管混凝土柱一 工字形钢梁． 混凝土楼板和箱 型基 础组成的结构体系模型和模拟刚性地基作用的相 同框架体系模型 ，并进行 了模态参数分析 比较， 为该结构体系的抗震设计与健康状态评估提供了 依据 。 1 有限元模型的确定 利用大型有 限元软件 A NS YS对结构进行建模 和分析 ，主要包括选择单元类型、相关参数确定、 建立模型、划分网格、加载求解和解释结果几个 步骤。上部结构采用 1 ： 1 0比例进行缩尺，结构底 层高 5 0 c m，其他层高为 4 0 c m；跨度为 6 8 c m， 底部箱基高 6 0 c m， 长宽均为 9 0 c m． 结构为对称结 构 。对圆钢管混凝土柱和钢梁采用有限应变梁单 元( B e a m1 8 9 ) 模拟，楼板和箱型基础采用板壳单元 ( S h e 1 1 6 3 ) 模拟瞄 】 ， 土体单元模拟软土地基对结构 的作用 ，采用弹簧一 阻尼单~( C o mb i n l 4 ) 模拟I 4 J ， 其 中钢管混凝土柱相应的组合弹性模量 E 。 可按照 统一理论通过含钢率 由文献[ 5 】 查表求得。结构计 算简图如图 1所示 。 图 1 箱型基础及刚性地基结构模型 土弹簧的刚度确定直接影响计算结果的精度， 采用 P e n z i e n关于桥梁桩土相互作用模型弹簧刚度 的确定方法I6 J ，P e n z i e n通过对半空间理论分析， 认． 为 Wi n k l e r假 定 是成 立 的， 因此 可依 据 明德林 ( Mi n d l i n )公式求解单位水平力作用下不 同深度 处的桩平面平均位移， 继而取倒数即为各土层桩土 相互作用的弹簧刚度 K H i 计算公式如式 ( 1 ) 。 收稿 日期：2 0 0 8 — 0 1 — 2 0 作者简介：姜绍飞 ( 1 9 6 9 一 ) ，男，山东青岛人，教授，博士，博导，研究方向为结构健康监测， c e j s f @1 6 3 ．c o m。 基金项 目：辽宁省优秀人才支持计划 ( R C 一 0 5 — 1 6 ) ；辽宁省重点实验室基金 ( J G． 2 0 0 6 04) ；教育部重点项 目( 2 0 8 0 6 4 ) ； 福建省教 育厅 重点项 目 ( J A 0 7 0 0 2 ) ；福州大学引进人才计划 ( 8 2 6 2 2 9 ) 。 2 8 华中科技大学学报 ( 城市科学版) 2 0 0 8年 —警+ 2 I 砌峨 + 一 2 l l )2] ， Ib e + ~ ] ， l 齑]+ 3 )2]， + 厂 ] ] 戤 II 3 + ) 2 + 式中， 为第 i 层土 的弹性模量；h 为第 i 层土的 厚度 ；z i 为第 i 层土中心深度 ； 为桩半径。 本文在此处可将桩平面 引申为箱基平面来考 虑， 曰为箱基础边长的一半 。 土体弹簧单元的阻尼 比取 O ． 3 】。确定模型所需要的参数指标如表 1 所示，考虑 S S I 影响的有 限元模型见图 2 。 表 1 模型相关参数指标 结构组成单元类型弹性模~- ／ P a泊松 比 密度／ k g m 图2 土． 箱基． 钢管混凝土框架结构有限元模型 建模时对模拟刚性地基 的结构采用底部 四个 支座完全约束 。对考虑土结构相互作用 的结构的 箱基 四周及底部的土体采用弹簧一 阻尼单元进行约 束，弹簧的另一端完全约束。土体采用弹簧一 阻尼 单元进行模拟 ，这样即可 以避免利用 实体模拟土 体建模 时施加 接触单元 分析所 带来的繁琐 和误 差；同时还可以减少工作量和缩短程序运算时间。 通过计算表明此方法能较好的模拟土体对结构动 力特性 的影响。 2 模态分析结果与比较 2 ． 1 结构 自振频率[ 7 - 1 0 】 应用建立的有 限元模型进行 了两种体系模态 分析， 表 2 给出了结构前八阶 自振频率的对比结果。 表 2 结构前 8阶频率的比较 因结构在 X ， Y方向为对称结构 ， 故两方 向的频 率理论值基本相 同。从两种结构体系的频率对 比 可以看 出：在底部刚接与考虑 S S I影响的两种体 系下，结构的 自振频率存在差异，与底部刚接体 系相 比，考虑 S S I 影响的结构其 自振周期会增大 ， 频 率降低 。本理论模 型的频 率最大 降低幅度 为 、 1 3 ． 0 6％，这 与 以往人 们 认为土 对 结构 体系 频率 降 低的影响程度基本一致。 2 ． 2 结构振型 为更好地进行对 比说 明，给出了两种体系 Y 方 向的前 3阶振型，见图 3与 图4 。 ( a ) 第一阶振型户2 5 ． 8 3 1 Hz ( b ) 第二阶振型卢8 8 ． 5 3 2 H z ( c ) 第三阶振型f =- 1 7 7 ．4 8 Hz 图 3 底部刚接结构体系 Y方 向的前 3 阶振型 第 3期 姜绍飞等：考虑 S S I 影响的钢管混凝土框架模态分析 2 9 图 4 土一 结构相 互作 用结构体系 Y方 向的前 3阶振型 比较二者 的振型发现： 刚接结构体系 Y向前 3 的原 因是在考虑土弹簧和箱基础作为整体结构体 阶振型分别为 Y 向平动、一次弯 曲、二次弯 曲； 系 的一部分后 ，因土体和箱基变形的影响，结构 而 S S I 体系 Y向前 3阶振型为 Y方 向平动、 一次弯 整体刚度降低 ，使上部结构发生了空间扭转现象。 曲和整体弯扭变形 。由弯扭变形 图发现结构在以 Y 2 ． 3 结构体系Y方 向振型幅值 向为主变形的同时伴随着 和 z 两方向的小变形， 提取两种结构体系 Y方 向前 3阶的振型幅值， 箱基也出现一定 的扭转 。造成这种高阶振型不同 并进行归一化处理 ，得到结果如 图 5所示。 ( a ) 第一阶振型 ( b ) 第二阶振型 ( c ) 第三阶振型 图 5 两结构体 系模 型水平 Y方 向前 3阶振 型幅值变 化 由图 5所示振型幅值图可发现， S S I 体系下的 态下的振型也会产生明显 的空间扭转变化。 振型与底部刚接体系 的振型在低阶相似 ，但 高阶 ( 3 )对 Y向前三阶水平方向的振型幅值进行 下存在着一定的差别，考虑 S S I的影响后 ，由于 归一化对 比，发现考虑 S S I影响的结构在高阶模 箱基和土体会产生水平和纵 向运动，这些变化会 态下 曲线的拐 点降低，基础和各楼层在水平方 向 对上部结构振型的幅值产生影 响，而且阶数越高， 的振型幅值也会随之改变 。 影响越大 。通过对 比发现 ：随着 阶数 的增大 ，相 互作用体系的基础的振 型幅值也在逐渐增大 ，上 部结构楼层幅值变化则会在总体上略趋于减小。 参考文献 3 结论 通过对 四层钢管混凝土框架结构在考虑和不 考虑 S S I 两种情况下 的模态分析，得到 以下结论 ： ( 1 )采用弹簧． 阻尼单元可较好的模拟土体对 结构的作用 以及动力特性改变的影响。 ( 2 ) 在考虑土一 箱基一 上部结构相互作用的情况 下 ，不但结构的 自振频率会降低 ，结构在高阶模 [ 1 】 凡红，徐礼华，童菊仙，等．五层钢管混凝土框 架模态试验研究与有限元分析f J 1 ．武汉理工大学学 报，2 0 0 5 ， 2 7 ( 4 ) ： 4 7 — 5 0 ． 【 2 】2 张 俊胜 ．土一 结构动 力相 互作用 的研 究方法 和发展 趋势【 J 】 ．国外建材科技，2 0 0 5 ， 2 6 ( 1 ) ： 5 2 ． 5 4 ． 【 3 ] 杜国锋， 许成祥， 凡红， 等．钢管混凝土框架结构 模型模态 识别比较研究【 J J _ 兰州理工大学学报，2 0 0 7 ， 。 3 0。 华中科技大学学报 ( 城市科学版 ) 2 0 0 8年 3 3 ( 2 ) ： 1 3 0 - 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d a m p e r u ni t i s e mp l o y e d t o s i mu l a t e the s o i l — ma s s ， a n d t h e n a fi n i t e e l e me n t mo d e l o f f o u r - s t o r y c o n c r e t e ． fi l l e d s t e e 1 t u b u l a r f C F S T ) f r am e c on s i d e r i ng S SI i s b u i l t ．Fo r t he p u r po s e o f c o mpari s o n，a fin i t e e l e me n t m o d e l o f the s a m e u p pe r s t r u c t u r e wi th fi x e d — b a s e s y s t e m i s a l s o b u i l t ． T h e d y n a mi c p ara me t e r s o f b o th s t r u c t u r a l s y s t e ms are a n a l y z e d a nd c o mp a r e d． Th e r e s u l t s s ho w tha t t he n a t u r a l f r e qu e n c i e s o f s t r u c t u r a l s y s t e m c on s i d e ring SSI are l e s s than tho s e o f th e fixe d ba s e s ys t e m ， a nd t he d e c r e me n t s r a ng e f r o m 7． 6 4 ％ t o 1 3． 0 6％ ； f u r t h e r mo r e ， t h e h i g h e r m o d e s h a p e s c han g e a pp are n t l y ． Th e r e s u l t s i n di c a t e th a t the SS I h a s e ffe c t s on t h e d y na mi c c h a r a c t e ris t i c s o f CFST s t r u c t u r e s t o s o me e x t e n t a n d s h o u l d b e t a k e n i n t o a c c o u n t p r o p e r l y i n t h e s t r u c t u r a l s e i s mi c d e s i g n a n d s t r u c t u r a l d am a g e d e t e c t i on ． Ke y wo r d s ： s o i l - ． s t r u c t u r e i n t e r a c t i o n ； c o n c r e t e ．． fi l l e d s t e e l t u b u l ar； mo d a l a n a l y s i s ； fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s ( 上接第 2 6页) An a l y s i s o n S e t t l e me n t a n d S t r e s s i n Bo x Cu l v e r t o f Ne w T y p e S u p p o r t i n g S t r u c t u r e o f Hi g h wa y Emb a n k me n t Y U T i a n — q i n g 。 ， S HI J u n -f e n g ， FUZ e — W U ( 1 ． S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e rin g a n d Ar c h i t e c t u r e ， Hu b e i Un i v e r s i ty o f T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 6 8 ， Ch i n a ； 2 ． Co l l e g e o f Re s o u r c e s and Ci v i l En g i n e e ri n g ， No r t h e a s t Un i v e r s i t y , S h e n y a n g 1 1 0 0 0 4 ， Ch i n a ) Abs t r a c t ：Th e s t r u c t u r e m e n t i on e d i n thi s p a pe r i s c o ns i s t e d o f thi n r e t a i ni n g wa l l ， an c h o r e d s t e e l ， f o u nd a t i o n an d fil l i ng s o i l an d th e r e i s a c o mpl i c a t e d f o r c e d s t a t e i n s i d e t h e s t r u c t u r e ． Be c a u s e of t h e r e q ue s t o f d r a i na g e ， a b o x c ul v e r t i s s e t i ns i d e ．I n o r d e r t o u nd e r s t a nd t h e me c ha ni c s f e a t u r e o f t he b ox c u l v e rt i ns i d e t hi s s p e c i a l s t r u c t u r e ．i n thi s pa pe r ,t he fin i t e e l e me n t me t ho d i S a p pl i e d t o t he 3 D nu me r i c a l c a l c u l a t i o n o f t h e b o x c u l v e rt i n a n e w t yp e s u p po rti n g s t r u c t u r e of h i g h wa y e mba n k m e n t a n d t h e c ha n g i n g r e g u l a t i o n o f s e t t l e me n t a n d the d i s t rib u t i o n r e g u l a t i o n o f i n ne r s t r e s s are a na l y z e d i n t h e b o x c u l ve rt． K e y wo r d s ： bo x c u l v e r t ； n u m e r i c a l s i mu l a t i o n a n a l y s i s ； s e t t l e me n t an a l ys i s ； t r e s s fie l d a n alys i s