钢筋混凝土核心筒——钢网壳结构抗震分析.pdf

5 O 低温建筑技术 2 0 1 2年第 8 期( 总第 1 7 0 期) 钢筋混凝土核心筒钢网壳结构抗震分析 王秀丽 ， 朱军 I 兰 州理工大学土木工程学院 兰州7 3 0 0 5 0) 【 摘要l 通过对钢筋混凝土核心筒钢网壳结构进行数值模拟， 探讨该体系在地震作用下的协同工作 性能。地震时， 网壳和核心筒振动不协调， 两者之间的连接处容易发生破坏。结果表明， 这种上部钢网壳结构 ， 下 部钢筋混凝土结构体系， 在地震力的作用下 ， 网壳结构的变形比较明显。 【 关键词】 钢筋混凝土核心筒； 钢网壳； 地震作用 ； 有限元 【 中圈分类号】 T U 3 7 5 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 8 0 0 5 0 0 3 RE oRCED CoNCRE TE CoRE TUBI 一S TI 强强 NETS S I I ELL S TRUCTURE s 】 吼S M C P 】 E RFoRMANCE ANALYS I S WANG Xi u - l i ， Z HU J u n ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， L a n z h o u U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： Th r o u g h n u me r i c a l s i mu l a t i o n t o t h e r e i n f o r c e d c o n c r e t e C O re t u b e s t e e l n e t s s h e l l s t r u c - t u r e b y，D i s c u s s e s c o o p e r a ti v e w o r k pe r f o r ma n c e o f t h e s y s t e m u n d e r the e ff ect s o f e a r t h q u a k e W h e n the e a r t h q u a k e ， n e t s h e l l and the C O re t u b e v i b r a ti o n n o t h a r m o n i o u s ， t h e c o n n e c ti o n b e t w e e n t l l e m p r o n e to d a ma g e e res u l t s s h o w t h a t t h e u p p e r s t e e l n e ts s h e l l s t r u c t u r e，l o w e r r e i n f o r c e d c o n c ret e s t r u c t u re s y s t e m，u n d e r the a c ti o n o f f o r c e s i n t h e e a r t h qu ak e ，n e ts s h e l l s t r u c t u r e d e f o r ma ti o n i s qu i t e o b v i o u s Ke y wo r d s ： rei n f o r c e d c o n c ret e C O re t u be ； s t e e l n e ts s h e l l ；s e i s mi c ；fi n i t e e l e me n t 随着我国经济建设的发展和科学技术水平的提高， 我 国钢结构的形式趋向多样化， 相应的结构体系也愈来愈复 杂， 钢结构以其独有的魅力和特点， 被广泛用于综合体育场 馆、 交通枢纽车站及航站楼、 综合型会展中心等大型公共设 施。其主要表现在钢网架及 网壳为代表的大跨度空间结 构、 钢筋混凝土核心筒钢框架、 钢筋混凝土核心筒钢 网壳的钢一混凝土组合结构。对于以往 的研究分析表明 人们往往更多的关注于混凝土结构和钢网壳结构在荷载作 用下的研究与分析 ， 而对于钢网壳 一 混凝土复杂体系( 如大 跨空间结构和钢 一混凝土混合结构) 在地震作用下的分析 比较少 ； 其主要原因是这样的结构体系抗震性能比较差， 不 宜在地震区域建设 ； 但同时， 这种结构体系又具有其独特的 优越性， 能够充分展现出建筑与结构的完美结合 ， 能给人以 良 好的视觉效果 ， 充分显示出现代建筑的独特之处， 这种结 构体系被越来越多的应用于生产生活中。所 以对这种混合 结构体系进行分析是很有必要的。 1 有 限元分析 考虑到建模便捷性。 采用自上而下的方法建立钢筋混 凝土核心筒钢网壳结构体系， 如图1所示。 图I钢筋混凝土核心筒一 钢网壳模型 图2 网壳部分平面图 图3钢筋混凝土核心筒平面图 其中网壳模型部分采用 MS T 2 0 0 8建立 ， 转化成 A N S Y S 命令行文件转入 ， 其为双层肋环型球面网壳结构 ， 平面尺寸 跨度为 3 0 m， 球径 1 8 m， 矢高 9 m， 网架厚度为 I 5 m， 其平面 图如图2所示。钢筋混凝土核心筒模型部分采用 白底向上 的方法建立， 既有点生成线， 再由线生成面的方法创建， 其 q _ _ 图4 自重作用下方 玎句 位移位图 直径 D= 2 9 m， 平面图如图 3所示 ， 上部网壳结构在钢筋混 凝土核心筒之上悬挑 0 5 m。在对钢筋混凝土核心筒钢 网壳结构( 核心筒高度 S 4 m ) 进行静力分析时我们得到了结 构体系在自重作用下的 y 方向的位移变形图如图4 所示： 从图中我们可以看到， 在 自重作用下， 网壳结构部分整 王秀丽等： 钢筋混凝土核心筒钢网壳结构抗震分析 5 1 体变形比较大， 位移突出。故这种下部钢筋混凝土结构 ， 上 部钢网壳结构体系； 对于钢网壳结构部分而言 ， 其整体稳定 型必须予以充分的重视。 分析过程中， 对于这种混合结构体系 ， 我们分别对核心 筒高度为8 4 m和 4 8 m的频率进行分析， 并提取前 3 o阶。 见 图 5 。 l 觚- 01 1 挑 0 1 鲎 1 0 0 E - 0 1 8 0 0 E 0 2 壤 l 6 0 0 E - 0 2 4 0 0 E 0 2 2 0 0 E 0 2 0 0 0 ED O 频率图 J r I 一一厂 。厂 r - 一 - -I - 。 = 1 3 5 7 9 I l l 3 l 5 l 7 l 92 l 2 3 2 5 2 72 9 时间， | 8 4 M +4 8 M 图5频率分布图 在这种混合结构体系的研究分析中， 由于结构本身的 两部分构成的材料不 同， 故其结构体系各部分的阻尼也不 同， 通常情况下钢筋混凝土结构的阻尼比取为 0 0 5 ， 钢结构 的阻尼比取为0 0 2 。在研究过程中， 采用了一个折中阻尼， 我们取阻尼比为 O o 4 ， 虽然计算的结果将高估钢筋混凝土 的反应 ， 而低估了钢网壳结构的反应 ， 但对于工程还是具有 一 定的指导意义的。 从图5中我们可看到， 对于不同高度的钢筋混凝土核心 筒钢网壳结构体系， 其频率分布都是逐渐增大的， 也就 是说， 对于这种混合结构体系， 我们不能像单体结构那样只 考虑低阶阵型的影响， 高阶阵型对钢筋混凝土核心简 钢网壳结构体系的影响不容忽视。 对于这种混合结构体系， 并对 8 4 m与 4 8 m高核心筒的 模态进行分析对比， 从中可以发现 ， 高度越高的混合结构体 系， 其最大位移值相对较大 ， 如表 l 所示。 表 1 模态位移幅值比较 8 4 4 8 0 1 0 2l 0 1 9 Q 5 0 0 5 7 6 o o 5 2 6 0 1 0 5 9 7 o 1 1 9 2 0 0 6 9 8 o 1 1 5 7 o O 24 9 0 0 3 7 4 o 0 3 2 1 o 07 5 3 图6一阶模态图形 图7 四阶模态图形 其中8 4 m高钢筋混凝土核心筒钢网壳混合结构体 系的第一阶模态以及第四阶模态图形如图6及图7所示。 针对于钢筋混凝土核心筒钢网壳结构体系 ， 我们 选取 E L c e n t e r 波对 8 4 m高核心筒钢网壳体系进行分 析并取网壳结构最外缘的两点以及网壳结构与钢筋混凝土 相连的两点作为控制点得到其位移曲线图如下： l _6 1 2 簿0 8 掣0 _4 O 时问 图8 U z 方向位移曲线 n l ， I 时何 圈9咐向位移曲线 从图8可以看出， 在水平向地震力的作用下， 网壳结构 部分的地震影响很大， 钢筋混凝土结构的作用很小， 随着时 间的延续 ， 网壳结构出现最大的位移幅值， 同时， 钢筋混凝 土部分也产生微小的位移； 我们可以看 出， 在水平地震力的 作用下， 对于网壳结构的影响很大。 从图 9可以看出， 在竖直向地震力的作用下， 网壳部分 产生位移幅值， 随着时间的影响， 网壳部分和钢筋混凝土结 构同时产生位移， 并且持续增长， 说明在竖向地震动的作用 下， 这种组合结构体系的响应很明显。 2结语 文中通过对下部钢筋混凝土、 上部钢网壳结构进行分 析， 详细讨论了这种组合结构体系在地震力作用下的受力 性能 。 得出如下结论： ( 1 ) 对于这种下部钢筋混凝土结构 ， 上部钢网壳结构 的混合结构， 钢筋混凝土部分相当于钢网壳的支座， 在地震 动的作用下， 由于钢筋混凝土部分的刚度大于钢网壳的刚 度， 能较好的吸收能量， 减少了结构体系的破坏。 ( 2 ) 这种混合结构体系在地震荷载作用下， 网壳结构 的位移相对较大， 钢筋混凝土结构相当于钢网壳结构的基 本部分， 故作为附属部分的网壳结构在动力荷载作用下的 响应突出 。 ( 3 ) 对于这种组合结构体系， 网壳部分与钢筋混凝土 之间的连接容易发生破坏， 所以应该对其连接点加强， 防止 发生破坏。 ( 4 ) 这种结构体系， 能够较好的展现出现代建筑的风 格， 能够给人以赏心悦目的感觉。 5 2 低温建筑技术 2 0 1 2年第 8期( 总第 1 7 0期 ) 一 端轴心受压角钢极 限承载 力分析 常海山 ， 曹现雷 ( 1 安阳市建筑设计研究院 ， 河南安阳4 5 5 0 0 0； 2 安徽工业大学建 工学院 ， 安徽马鞍山2 4 3 0 0 2 ) 【 摘要】 一端轴心受压角钢构件广泛用于输电塔结构中， 由于受杆件端部约束条件和缺陷的影响， 分析压 杆的稳定承载力就成为一个非常复杂的问题。解析法分析了四类构件的稳定承载力大小， 解析法时采用能量关 系， 考虑边界约束条件简化问题， 理论分析了试验构件的极限承载力， 与试验结果对比表明， 弹性理论解析解明显 高估了构件的承载力， 用试验法分析构件受力性能更为安全。 【 关键词】 角钢 ； 稳定承载力 ； 解析法； 边界条件 【 中图分类号】 T U 3 9 1 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 8 0 0 5 2 0 2 稳定问题对于受压角钢构件来说尤为重要。输电塔结 构中的受压构件， 虽然构件在 由强度控制和长细比不大的 范围内使用高强角钢能够取得良好 的综合效益 ， 但是随着 长细比增加， 构件破坏由整体失稳控制， 钢材强度的提高并 不能相应提高承载能力， 因此对高强角钢稳定受力性能的 研究显得特别重要 J 。输电铁塔中常会用一端轴心一端 偏心受压角钢构件构造形式， 此受力构件的承载能力介于 轴心受压与两端偏心受压构件之间， 变形兼有两者的特点， 在偏心端 ， 受力性能及变形过程接近于两端偏心受压构件， 而对于轴心端， 受力性能及变形过程则比较接近轴心受压 角钢构件。压杆承载力受杆件端部约束条件、 初偏心、 初弯 曲、 残余应力等诸多因素的影响 J ， 因此用解析法精确求解 其压杆承载力就成为一个非常复杂的问题。 1 解析 法 1 1 弹性屈 曲解 根据能量关系知H =U+V ， 角钢构件平面内的弯曲应 变能计算公式： 基金项 目 安徽省高校省级 自然科学研究项 目( K J 2 0 1 2 A 0 4 7 ) u 。 = I 出 ( 1 ) 角钢构件侧向弯曲应变能计算公式： = 寺 f ip 2 d g ( 2 ) 角钢构件纯扭矩应变能计算公式： = 。 = I 咖 = I 出 ( 3 ) 角钢构件翘曲应变能计算公式： c，4 = I 帕 2 t d = = 咖 帕 出 (4 ) 将式( 1 ) 、 ( 2 ) 、 ( 3 )和( 4 )相加得： u = + + + = 寺 ( E ， I 以 + u +E 乙 +C l , 6 以) d z ( 5 ) 外力势能等于外力功的负值， 即 V=一W， 为了得到外 力势能可 以先计算外 力功 参考文献 1 高博青， 董石麟 双层柱面网壳结构在竖向地震作用下的动 力性能分析 J 空 间结构 ， 1 9 9 6 ( 3 ) ： 1 6 2 2 2 范峰 ， 钱宏亮 ， 邢佶慧 ， 沈 世钊 网壳结 构强震下 的延性 及破 坏机理研究 R 国家自然科学基金重大项 目 专题研究总结 报告 ( 5 3 ) ， 2 0 0 3 ： 1 5 51 8 2 3 邓俊 大跨钢混凝土空间组合结构的研究与应用 J 空间结 构 ， 2 0 0 9， ( 1 2 ) ： 3 23 8 4 赵惠麟 ， 郭小 明， 尹凌峰 考 虑材料阻尼 比不 同的钢框架 一混 凝土简体混合结构弹性时程分析 D 2 0 0 4 5 D e v e l o p m e n t o f a n e w h y b i r d m a t e ri a l ( a r al 1 )f o r a i r c r a f t s t r u c t u r e s J E a r t h q u a k e E n g i n e e ri n g a n d S t r u c t u r a l D y n a m i c s ，v 3 5 ，n 7， P 8 6 7 8 9 0 ，J u n e 2 0 0 6 ， 3 5 ( 7 ) ： 8 6 78 9 0 6 S e i s mi c r e s p o n s e m i ti g a t i o n o f a c o m p l e x s h a p e s t eel f r a mec o n c ret e c o r e t u b e c o mp o s i t e s t r u c t u r e c o n s i d e r i n g mu l t id i me n s i o n a l e a r t h qua k e s f J 2 0 1 0 I n t e r n a t i o n al C o n f e r e n c e o n Me c h a n i c A u t o ma t i o n an d Co n t r o l En g i n eerin g， 2 01 0， 4 4 62一 隼 6 5 7 N e w a p p r o a c h t o a u t o m a t e d c o n c e p t u a l d e s i g n o f h y b ri d me c h a n i c a l s y s t e m b y m e a n s o f c h a r a c t e ri s t i c s t a t e s p a c e J J i x i e G o n g e h e n g X u e b a o C h i n c s e J o u r n al o f Mech ani c al E n gi n eeri n g ， 2 0 0 6 ， 4 2 ( 1 2 ) ： 2 6 3 5 8 A n a l y s i s and a p p l i c a t i o n of u n s y m m e t r i c a l c o m p o s i t e s t r u c t u r e J B e ij i n g H a n g k o n g H a n g t i a n D a x u e X u e b a o J o u r n a l o f B c ij i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ， 2 0 0 3， 2 9 ( 9 ) ： 7 7 0- 7 7 3 9 高层钢 一 混凝土混合结构弹塑性动力时程及能量反应分析 D 2 0 0 8 1 O 高层钢 一混凝土混合结 构弹塑性地 震反应 简化分 析模型研 究 D 2 0 0 0 1 1 复杂结构体系弹塑性地震反应分析研究 D 2 0 0 9 收稿 日期 2 0 1 20 31 2 【 作者简介 】 王秀 丽 ( 1 9 6 3一) ， 女 ，沈 阳人 ， 教授 ， 博士生 导 师 ， 从事空间大跨 度钢结 构的教学工作。