张弦拱桁架结构在多维地震作用下的抗震性能.pdf

第 卷 第 期洛阳理工学院学报(自然科学版)年 月 ()张弦拱桁架结构在多维地震作用下的抗震性能黄坤涛 刘 辉 班庆荣 尹玉光(中国启源工程设计研究院有限公司 陕西 西安)摘 要:利用 软件建立张弦拱桁架结构整体模型 研究了隔震结构与铰接结构在多维地震作用下的底部剪力、杆件内力及结构变形等特性 隔震结构除低阶振型以结构整体振动为主外 具有显著的空间扭转振动特性 相比于铰接张弦拱桁架结构 采用隔震技术后张弦拱桁架结构的基底剪力有所减小 表现出了不同程度的减震效果 多维地震输入对隔震结构的基底剪力无明显影响 但隔震结构由于拱脚缺少侧向约束 导致隔震结构在地震作用下的最大竖向位移比铰接结构更大 且在水平方向上的空间扭转变形特性也较为明显关键词:张弦拱桁架结构 多维地震作用 结构地震响应 抗震性能:./.中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:黄坤涛()男河南周口人硕士高级工程师国家一级注册结构工程师主要从事建筑结构设计方面的研究.:.张弦拱桁架结构可通过下部拉索施加预应力实现结构自平衡 在利用拱形结构受力特性的同时 又充分发挥了拉索抗拉强度较高的力学性能 张弦拱桁架结构的实际工程往往是大量人群集散、大型设备布置和工作的场所 具有重要的经济价值和社会功能 因此 深入研究此类结构的抗震性能具有重要意义 张爱林等通过振动台试验研究了一榀张弦拱桁架结构在单向地震动输入条件下的地震响应变化情况 陈楠等详细研究了张弦拱结构的静力和动力力学特性 韩重庆等对一榀上承式张弦桁架拱结构的桁架形状和用钢量进行了优化研究 邹荣等对拱形张弦结构的初始预应力、矢跨比、高跨比等设计参数对结构内力与变形和用钢量的影响进行了分析 等基于结构的模态参数对张弦拱桁架结构的损伤识别进行了研究 朱思宇等以某地大跨煤棚结构为例分析了采用柱面网壳和张弦桁架两种结构方案的优缺点 吴小宾等对乐山奥林匹克中心游泳馆屋面采用的张弦胶合木拱架结构进行了力学性能研究 刘树堂研究了拱桁架上、下弦杆截面积比对拉索设计预应力以及结构内力和变形的影响 赵祥等将形状记忆合金作为一种阻尼器用于大跨空间结构的减震控制 张爱林等针对北京大兴国际机场航站楼的屋盖钢结构进行了动力特性和多维地震响应研究地震动是一个复杂的多维运动过程 空间结构在一维和多维地震作用下的反应具有明显差异 研究张弦拱桁架结构在多维地震作用下的反应并提高其抗震性能具有重要意义 本文以一个张弦拱桁架结构为对象研究了在结构拱脚处设置隔震支座后的动力特性及其在多维地震作用下的抗震性能 并与在结构拱脚处设置铰接约束后的抗震性能进行对比分析 为工程应用提供参考 工程概况西安某地一矿料煤棚张弦拱桁架结构如图 所示 结构跨度为 平面尺寸为 (跨度)(长度)抗震设防烈度为度 设计基本地震加速度为 /场地类别为类 地震分组为第一组 特征周期为 构件截面均为钢管 材料为 低碳钢 弹性模量为 杆件截面的控制应力比为 为进一步增强拱桁架的平面外稳定性 相邻两个拱桁架之间设置一道斜支撑 斜支撑间距 左右 共设置 道 在施工时 各杆件之间采用相贯焊接的方式 预应力拉索为 级消除应力钢丝束由 根直径为 的钢丝缠绕而成 弹性模量为 钢材和预应力钢束材料参数如表 所示 拱桁架结构各构件参数如表 所示第 期黄坤涛 等:张弦拱桁架结构在多维地震作用下的抗震性能()张弦拱桁架结构三维示意图 ()张弦拱桁架结构立面图 ()截面图 张弦拱桁架结构形式表 材料参数类型强度标准值/强度设计值/密度/()线性膨胀系数 钢材.预应力钢束 .表 杆件尺寸杆件截面尺寸/截面面积/惯性矩/上弦杆.下弦杆.桁架腹杆.交叉撑杆.竖向拉杆.预应力拉索.结构振动特性分析 结构分析模型使用 建立拱桁架结构的分析模型如图 所示 拱桁架结构中各杆件均采用框架梁单元模拟预应力拉索为索单元 拉索与竖向拉杆之间无相对滑动 为铰接约束 柱底端部均为固定铰支座 在分析模型中 结构屋面恒荷载为 /活荷载为 /均等效为作用在上弦杆上的均布荷载采用 阻尼 常阻尼比取为 荷载工况:预应力 恒荷载 活荷载 在 分析模型中对拉索通过施加降温荷载的方式来模拟初始预应力 结构的初始温度荷载与设计预应力值之间的关系为:式中:为拉索预应力设计值 此处设计值为 为拉索弹性模量 为拉索截面面积 为钢索材料的线性膨胀系数图 张弦拱桁架结构分析模型对于拱脚处设置有隔震支座的张弦拱桁架结构 根据上述分析模型的初步计算结果和隔震支座厂家 洛阳理工学院学报(自然科学版)第 卷提供的参数信息 通过多次试算最终确定隔震支座的力学性能参数如表 所示 在分析模型中 采用软件提供的隔震支座单元()来模拟非线性力学行为表 隔震支座参数信息型号设计承载力/屈服前刚度/()屈服后刚度/()竖向刚度/()屈服力/等效水平刚度/()等效阻尼比 .结构振动特性分析结果采用 法分别对拱脚处设置铰接约束的拱桁架结构(简称铰接结构)和设置隔震支座的拱桁架结构(简称隔震结构)进行振动特性分析 得到前 阶的振型分析结果 所有振型参与质量系数大于的振型数据如表 所示 前 阶振型如图 和图 所示()第 阶振型 ()第 阶振型 ()第 阶振型 ()第 阶振型图 张弦拱桁架铰接结构前 阶振型()第 阶振型 ()第 阶振型 ()第 阶振型 ()第 阶振型图 张弦拱桁架隔震结构前 阶振型表 张弦拱桁架结构自振特性结构振型周期/振型参与质量系数/向 向 向张弦拱桁架铰接结构(简称铰接结构).张弦拱桁架隔震结构(简称隔震结构).(注:表示绕 轴方向转动 表示绕 轴方向转动 表示绕 轴方向转动)第 期黄坤涛 等:张弦拱桁架结构在多维地震作用下的抗震性能由表 可知 前 阶振型分别为 向(结构长度方向)和 向(结构跨度方向)的平动 第 阶为 平面内的扭转 第 阶为竖向(向 结构跨度垂直方向)振动 第 阶为结构绕 轴转动 拱桁架结构的扭转振动和竖向振动特性较为明显 设置隔震支座后 自振周期显著大于隔震前 符合一般隔震结构的长周期特性 隔震结构前 阶振型为 方向和 方向的整体平动 第 阶为 平面内的扭转 第 阶为结构的空间扭转振动 第 阶为竖向振动 对比铰接拱桁架结构的振动特性可知 拱桁架隔震结构除前 阶具有类似整体平动及平面内扭转的特性外 还表现出了更为明显的空间扭转振动特性 地震波选取根据我国 建筑抗震设计规范 相关要求 按照结构所在场地类别、设计地震分组、与规范设计谱相匹配的原则以及底部剪力变化的范围要求 从美国太平洋地震工程研究中心地震动数据库中筛选出 组实际强震记录 和 (简称、波)并模拟生成 组人造地震波(简称 波)组地震记录对应的地震影响系数曲线与规范地震影响系数曲线的对比结果如图 所示图 地震影响系数曲线从图 中可以看出 铰接结构在基本周期 处对应的地震波反应谱平均值与规范反应谱谱值高度吻合 谱值相差在 以内 满足规范要求 在进行结构动力时程分析时 将所选地震加速度时程记录的峰值分别调幅至 /和/以验算结构在多遇地震作用下的承载力和罕遇地震作用下的抗震变形 当进行多维地震波输入时 为研究拱桁架结构在地震作用下的底部剪力、杆件内力、变形等结构响应参数与地震输入维数的关系 通过调整地震波在结构各方向上的加速度峰值设计了多种分析工况 如表 所示表 动力时程分析工况地震工况地震输入维数地震分量一维 向一维 向二维 向 向.二维 向 向.三维 向 向 向.三维 向 向 向.洛阳理工学院学报(自然科学版)第 卷 结构时程分析结果 基底剪力张弦拱桁架铰接结构和隔震结构在不同输入地震维数下的基底剪力对比结果如图 所示 对于同一条地震波 当结构 向为地震输入主方向时 铰接结构在工况、工况、工况 作用下的 向基底剪力基本不变 表明、方向上的地震输入对结构 向的基底剪力没有明显影响 隔震结构的分析结果也表现出了类似的特点 隔震结构的底部剪力相比于对应的铰接结构减小了 左右 表明设置隔震支座可以有效地减小张弦拱桁架结构遭受的地震作用 当结构 向为地震输入主方向时 铰接结构在工况、工况、工况 作用下的 向基底剪力变化非常小 表明、方向上的地震输入对结构 向的基底剪力没有明显影响 隔震结构在工况、工况、工况 作用下的 向基底剪力仅有微小的波动 由此可知 对于同一条地震波 地震波沿结构单向输入与多维输入对结构的基底剪力无明显影响 但相比于结构 向隔震结构在 向的基底剪力减震效果在 左右 当结构遭受罕遇地震作用时 铰接结构和隔震结构也同样表现出了类似的特点 罕遇地震下结构 向的基底剪力如图 所示()结构 向为地震输入主方向 ()结构 向地震输入主方向图 多遇地震下结构的基底剪力图 罕遇地震下结构 向的基底剪力对于不同的地震波 隔震结构相比于铰接结构的基底剪力的减小程度有明显差异 表明不同地震波的输入对隔震结构的减震效果有明显影响 为进一步分析隔震结构在 向和 向的减震效果存在明显差异的原因 现以 地震波的分析计算结果为例进行详细探讨 隔震结构在工况 和工况 条件下拱桁架顶部的最大位移幅值变化范围的结果如图 所示 在地震工况 (沿结构 向单向输入)作用下 隔震结构各个拱桁架沿结构长度方向(向)上的变形完全一致 在地震工况 (沿结构 向单向输入)作用下 隔震结构各拱桁架沿结构跨度方向(向)上的变形存在微小差异 并非完全一致第 期黄坤涛 等:张弦拱桁架结构在多维地震作用下的抗震性能()在地震输入主方向上的水平位移 ()在垂直于地震输入主方向上的水平位移图 隔震结构在地震工况、工况 作用下拱桁架顶部的水平向(向、向)位移 杆件内力为反映结构杆件在地震作用下的受力状态 定义杆件的内力系数 地震作用下杆件最大应力值杆件材料的屈服应力值铰接结构和隔震结构在各罕遇地震作用下构件轴力的内力系数分布结果如图 所示 由图 可知 铰接结构在罕遇地震作用下出现屈服(即 )的杆件数量约有 根 而隔震结构中出现屈服的杆件数量约有 根 屈服杆件数量的平均值约为铰接结构的 倍 此外 隔震结构中接近屈服状态的构件数量也明显高于铰接结构中的构件数量 且隔震结构中部分构件的最大受力也要明显高于铰接结构中的部分构件 表明采用隔震技术并不能明显减小张弦拱桁架结构中部分构件的轴力图 罕遇地震下(工况)结构杆件内力分布为探究隔震结构中部分杆件内力减震效果不明显的原因 现选取 地震为例进行详细分析 铰接结构和隔震结构在罕遇地震 工况 作用下的结构平面内扭转弯矩(即绕 轴扭转弯矩 其中最大正值为 最小负值为)与变形的计算结果如图 所示 隔震结构在多向地震输入作用下的基底平面内扭转弯矩明显高于铰接结构 隔震结构顶部在 平面内的最大扭转变形(即每一榀拱桁架顶部绕 轴的转动变形)也明显高于铰接结构 由此可知 隔震结构在地震作用下产生的扭转变形可能会在一定程度上影响到结构的内力 结构变形铰接张弦拱桁架结构跨中顶部在不同地震作用下的平均最大水平向(向)位移值如图 所示 由图 可知 结构顶部的最大水平向位移在不同地震工况作用下基本相同 无明显变化 表明多维地震输入对结构的水平向位移无显著影响 对于隔震结构 顶部的水平向位移也表现出了类似的特性 为分析隔震结构与铰接结构的变形差异 选取地震工况 的计算结果进行详细对比分析 洛阳理工学院学报(自然科学版)第 卷()基底反力 ()顶部的转动变形 图 罕遇地震 (工况)作用下结构柱底反力与结构顶部转动变形图 不同地震作用下拱桁架铰接结构跨中顶部 向平均位移张弦拱桁架铰接结构和隔震结构跨中上弦杆顶部在各地震作用下(工况)的 向平均最大水平位移值的变化范围如图 所示 铰接结构在多遇地震作用下的平均最大水平位移为 对应隔震结构的平均最大水平位移为 其变形相比于铰接结构有所增加 因为隔震结构底部的侧向刚度相对较小 且缺乏水平侧向变形约束 导致隔震结构的整体刚度偏小 更容易发生过大的侧向变形 在罕遇地震作用下 铰接结构的平均最大水平位移为 而隔震结构在罕遇地震作用下的平均最大水平位移则明显高于铰接结构 且各拱桁架之间的变形并不一致 表明隔震结构在罕遇震作用下的空间扭转变形特性相对更加明显()多遇地震作用 ()罕遇地震作用图 不同地震作用下拱桁架结构顶部 向最大平均位移张弦拱桁架铰接结构和隔震结构跨中下弦杆在不同地震工况下的最大竖向(向)位移值的变化范围分别如图 和图 所示 从图 中可以看出 铰接结构在静力荷载作用下的最大竖向位移为 当遭遇罕遇地震时 结构各榀拱桁架跨中下弦杆在地震工况 作用下的最大竖向位移值基本一致 且相比于静力荷载变形有所减小 在地震工况 和地震工况 作用下 最大竖向位移值显著增大第 期黄坤涛 等:张弦拱桁架结构在多维地震作用下的抗震性能幅值变化范围也明显增大 由此可见 张弦拱桁架结构的竖向变形受地震动多维输入的影响较为显著当进行结构设计时需要关注结构在多维地震动输入下的动力反应结果 从图 中可以看出 隔震结构在静力荷载作用下的最大竖向位移为 是由隔震结构缺少侧向变形约束导致的 当遭遇罕遇地震时 结构各榀拱桁架跨中下弦杆在地震工况 作用下的平均最大竖向位移值的变化范围为 其增加幅度和变化范围相比于铰接结构更大 在地震工况 和地震工况 作用下 拱桁架跨中的最大竖向位移值进一步增大 其幅值变化范围也明显增大 由此可知 在遭遇同等地震工况条件下隔震结构的竖向变形相比于铰接结构更大 其受地震动多维输入的影响更加显著()罕遇地震作用 ()罕遇地震作用 ()罕遇地震作用图 罕遇地震作用下拱桁架铰接结构跨中 向位移()罕遇地震作用 ()罕遇地震作用 ()罕遇地震作用图 罕遇地震作用下隔震结构拱桁架跨中 向位移 结 语张弦拱桁架隔震结构除前 阶为整体平动的特性外 具有明显的空间扭转振动和竖向振动特性 相比于张弦拱桁架铰接结构 采用隔震技术后张弦拱桁架结构的基底剪力有所减小 表现出了不同程度的减震效果 且多维地震输入对结构的基底剪力无明显影响 张弦拱桁架铰接结构的最大水平位移受多维地震输入的影响较小 结构变形较为一致 隔震结构在罕遇地震作用下由于缺乏水平侧向变形约束 导致结构的空间扭转变形特性较为明显 隔震结构的水平变形也明显大于铰接结构 张弦拱桁架铰接结构的最大竖向位移受多维地震输入的影响较为显著 而张弦拱桁架隔震结构由于拱脚缺少侧向约束 导致隔震结构在地震作用下的最大竖向位移比铰接结构更大参考文献:张爱林王冬梅张国军.张弦拱桁架结构振动台试验研究/第六届全国现代结构工程学术研讨会论文集.北京:工业建筑杂志社:.陈楠赵基达.拱形张弦拱的结构分析与静力性能研究.建筑科学():.陈楠赵基达.拱形张弦拱结构的动力特性研究.建筑科学():.陈楠赵基达.拱形张弦拱结构模型试验研究.建筑科学():.韩重庆黄远黄桂新.靖江市体育中心体育馆上承式张弦桁架拱设计研究.建筑结构():.邹荣张涵坤张佳庆.拱形张弦结构的优化设计.土木工程与管理学报():.():.(下转第 页)洛阳理工学院学报(自然科学版)第 卷 贾鹤鸣孟彬魏元昊等.改进算术优化算法的无线传感器网络覆盖.闽南师范大学学报(自然科学版)():.():.陶然周焕林孟增等.基于响应面法和改进算术优化算法的抱杆优化设计.应用数学和力学():./():.():.汪超王丙柱岑豫皖等.基于多样性全局最优引导和反向学习的离子运动算法.控制与决策():.(.):().().:(责任编辑:翟智卫)(上接第 页)朱思宇梁存之张建林.某大跨度煤棚结构方案选型及计算.建筑钢结构进展():.吴小宾陈欢殷杰等.张弦胶合木拱架结构在工程中的应用研究.建筑结构():.刘树堂.张弦桁架结构拉索设计预应力影响因素研究.广州大学学报(自然科学版)():.赵祥刘忠华王社良等.多维地震作用下大跨空间结构的减震控制分析.地震工程学报():.张爱林牟俊霖刘学春等.北京大兴国际机场航站楼屋盖大跨度钢结构动力特性及多维地震响应分析.建筑结构():.吴祖咸高子珺.用等效降温法模拟预应力来实现张弦梁结构找形.浙江工业大学学报():.中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范:.北京:中国建筑工业出版社:.(.):.:(责任编辑:黄广霞)