鋼管混凝土排架結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

管道混凝土是指在管道中填充混凝土后形成的組件。由于管道對混凝土的限制，混凝土從一側(cè)變形向三向變形轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘀刈冃?，混凝土的強度、彈性和耐水性顯著改善。此外，管道混凝土支撐柱具有良好的抗疲勞性能。與鋼筋混凝土支撐柱相比，支撐柱截面可減小，最大限度地減少了重量，降低了地震反應(yīng)。目前,鋼管混凝土的研究主要集中于基本構(gòu)件和連接結(jié)點方面,且靜力多于動力,圓鋼管混凝土多于矩形鋼管混凝土.1991年Matsuani等用KOSMOS有限元程序?qū)︿摴芑炷两Y(jié)構(gòu)體系進行了三維彈塑性地震反應(yīng)分析;1997年Hajjar等提出了2種用于方形和矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件動力計算的桿系模型;2002年李向真等應(yīng)用三段變剛度模型對一鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的實際工程進行了彈塑性時程分析.但對鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)建的廠房的動力反應(yīng)研究成果較少.本文針對某水電站廠房鋼管混凝土排架結(jié)構(gòu),采用大型有限元軟件ANSYS對其進行動力特性及抗震分析研究,給出了水平地震作用下結(jié)構(gòu)最不利位置處的應(yīng)力和位移時程曲線.1基于系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的阻尼分析方法在地震作用下,結(jié)構(gòu)運動方程是Μ¨U+C˙U+ΚU=ΜG(t)(1)式中:M——系統(tǒng)質(zhì)量矩陣;C——系統(tǒng)阻尼矩陣;K——系統(tǒng)剛度矩陣;G(t)——地面加速度列陣;U,˙U,¨U——節(jié)點的位移、速度及加速度列陣.式(1)采用Newmark時間積分法求解.時程分析時用完整系統(tǒng)矩陣法(Full法)計算結(jié)構(gòu)的時程響應(yīng).Full法操作簡單,計算精度高,但在阻尼處理時會忽略恒定阻尼比和振型阻尼.因此,本文采用Rayleigh阻尼來表征系統(tǒng)的總阻尼矩陣,即假定C=αΜ+βΚ(2)其中α=2ωiωj(ζiωj-ζjωi)(ω2j-ω2i)β=2(ζjωj-ζiωi)(ω2j-ω2i)式中:ζi,ζj——第i,j階振型的阻尼比;ωi,ωj——第i,j階振型的頻率.該水電站抗震設(shè)防烈度為8度,場地特征周期為Tg=0.2s,βmax=2.25,水平向設(shè)計地震加速度代表值為0.246g,阻尼比為0.05.本文按照水工抗震規(guī)范所采用的抗震設(shè)計標準反應(yīng)譜,選擇地震波持續(xù)時間為20s,人工擬合生成一條地震加速度時程曲線對結(jié)構(gòu)進行地震響應(yīng)分析.2計算模型和材料參數(shù)2.1有限元模型的建立選取該水電站廠房1號機組段(圖1),采用大型有限元軟件ANSYS分析研究.初步設(shè)計該廠房1號機組段平面尺寸為32m×32.23m.排架柱上柱高為10.15m,下柱高為9.85m,排架柱間距為8.30m,橫截面如圖2所示.圖中尺寸:上柱b×h=1300mm×1000mm,t=28mm,tw=14mm,h0=944mm;下柱b×h=1300mm×2600mm,t=28mm,tw=14mm,h0=2544mm.廠房屋頂計算時采用拱形屋面,中心角弧度為43°;吊車梁為箱形鋼結(jié)構(gòu),高2150mm,寬890mm,腹板厚14mm,翼緣板厚26mm.聯(lián)系梁采用工字鋼63c.針對廠房1號機組段鋼管混凝土排架柱、吊車梁、屋頂?shù)墓ぷ魈攸c和受力方式,建立了鋼管混凝土排架柱和吊車梁聯(lián)合作用的三維組合有限元模型.其中吊車梁上緣與排架柱上柱通過鋼板連接,以保證吊車梁穩(wěn)定性.整個模型采用映射網(wǎng)格劃分,以保證計算精度.整個模型根據(jù)不同構(gòu)件的實際斷面形式、幾何形狀、受力特點采用了不同的單元類型進行模擬:對排架柱的內(nèi)填混凝土采用等參六面體單元模擬;排架柱外包鋼管采用三維殼體單元模擬,鋼管與混凝土間認為是有效黏結(jié),不發(fā)生滑動和脫開;排架柱間的水平聯(lián)系梁采用三維梁單元,可以模擬梁的實際截面形狀、尺寸和受力特點;屋架支承拱形梁采用三維梁單元模擬,壓型鋼板根據(jù)其構(gòu)造形式采用三維殼體單元模擬;吊車梁腹板、翼緣根據(jù)各鋼板的構(gòu)造尺寸、厚度采用三維殼體單元模擬.上述計算模型能夠較為真實的模擬上部廠房組合結(jié)構(gòu)的相互作用.廠房1號機組段三維計算模型共剖分節(jié)點84896個,單元95390個.坐標系廠房橫向為x軸,縱向為y軸,豎向為z軸.排架柱柱底為固定約束.三維有限元網(wǎng)格如圖3所示.2.2動荷載作用下材料的動態(tài)特性鋼管內(nèi)填C40混凝土,彈性模量為32.5GPa,密度為2500kg/m3,泊松比為0.167.抗拉強度為1.71MPa,抗壓強度為19.5MPa.外圍鋼管采用Q345B鋼材,彈性模量為206GPa,密度為7800kg/m3,泊松比為0.3.為了反映動荷載作用時材料彈性模量增大現(xiàn)象,根據(jù)DL5073—2000《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》要求,混凝土和鋼材的動態(tài)強度和動態(tài)彈性模量的標準值可較靜態(tài)標準值提高30%,混凝土動態(tài)抗拉強度的標準值可取為動態(tài)抗壓強度標準值的8%.3鋼管混凝土排架結(jié)構(gòu)的抗震性能由于鋼管混凝土排架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對于整個上部廠房組合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起決定作用,故本文主要研究鋼管混凝土排架結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的抗震性能.3.1結(jié)構(gòu)自振特性根據(jù)設(shè)計部門提供的方案,自振特性計算時考慮吊車為空載的情況.自振特性計算表明,廠房的輕型壓型鋼板屋面較易激起振動,因此為了研究排架柱的自振特性,計算時過濾了屋面、聯(lián)系梁引起的前幾階激起屋面和聯(lián)系梁振動的振型.為了保證精度,取15階振型進行計算.計算結(jié)果表明,排架柱系統(tǒng)的基頻為4.6113Hz,第二階頻率為4.6270Hz,第三階頻率為4.9406Hz.第一階振型以排架柱y向振動為主,第二階振型以排架柱x向振動為主.隨后的幾階振型有的以排架柱y向振動、豎向振動為主,有的以吊車梁振動、屋面振動為主.振型疊加法結(jié)果顯示,10階以后的振型對地震反應(yīng)的貢獻已經(jīng)很小,可以忽略不計.表1給出了前15階自振頻率.3.2地震響應(yīng)分析3.2.1x向地震作用下3號排架柱柱頂?shù)牡卣痦憫?yīng)x向地震:x向地震時,鋼管混凝土排架柱結(jié)構(gòu)以x向的動位移為主,最大值出現(xiàn)在地震時間4.66s,為9.08mm,位于3號排架柱(圖1)柱頂.y向動位移很小,不起控制作用.豎向最大動位移位于3號排架柱柱頂,為0.67mm.圖4給出了x向地震作用下3號排架柱柱頂?shù)膞向動位移時程曲線.y向地震:y向地震時,鋼管混凝土排架柱結(jié)構(gòu)以y向的動位移為主,最大值出現(xiàn)在地震時間9.82s,為8.73mm,位于4號排架柱(圖1)柱頂.由于鋼管混凝土排架柱y向截面為變截面,y向地震時將產(chǎn)生一定的x向動位移,為3.17mm,位于4號排架柱柱頂.豎向最大動位移位于4號排架柱柱頂,為0.66mm.圖5給出了y向地震作用下4號排架柱柱頂?shù)膟向動位移時程曲線.上述結(jié)果表明:x向地震和y向地震時,最大動位移均出現(xiàn)在排架柱柱頂,x向地震時的動位移較y向地震時的動位移大.3.2.2鋼管、混凝土豎向動應(yīng)力x向地震:x向地震時,最大動應(yīng)力以豎向應(yīng)力為主.上柱底面動應(yīng)力較下柱底面動應(yīng)力大.最大豎向動拉應(yīng)力出現(xiàn)在地震時間9.66s,鋼管應(yīng)力為15.25MPa,混凝土應(yīng)力為2.23MPa,位于4號排架柱上柱柱底廠房內(nèi)側(cè)角點;最大豎向動壓應(yīng)力出現(xiàn)在地震時間4.66s,鋼管應(yīng)力為16.23MPa,混凝土應(yīng)力為2.37MPa,位于4號排架柱上柱柱底廠房內(nèi)側(cè)角點.圖6分別給出了x向地震時4號排架柱上柱柱底鋼管、混凝土豎向動應(yīng)力時程曲線.y向地震:y向地震時,與x向地震動應(yīng)力分布規(guī)律不同,下柱底面動應(yīng)力最大.最大豎向動拉應(yīng)力出現(xiàn)在地震時間9.7s,鋼管應(yīng)力為17.17MPa,混凝土應(yīng)力為3.04MPa,位于4號排架柱下柱柱底廠房內(nèi)側(cè)角點,為應(yīng)力集中;最大豎向動壓應(yīng)力出現(xiàn)在地震時間9.82s,鋼管應(yīng)力為20.80MPa,混凝土應(yīng)力為3.05MPa,位于4號排架柱下柱柱底廠房內(nèi)側(cè)角點.圖7分別給出了y向地震時4號排架柱下柱柱底鋼管、混凝土豎向動應(yīng)力時程曲線.上述結(jié)果表明:地震最大動應(yīng)力以豎向應(yīng)力為主.x向地震時,最大動應(yīng)力出現(xiàn)在排架柱上柱柱底;y向地震時,最大動應(yīng)力出現(xiàn)在排架柱下柱柱底.地震荷載作用下,排架柱的上柱和下柱柱底角點處混凝土由于出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,拉應(yīng)力會超出允許應(yīng)力,但影響范圍很小.由于排架柱外包鋼管的應(yīng)力值均遠小于鋼材允許應(yīng)力,整個鋼管混凝土排架結(jié)構(gòu)強度