摘要:根据结构体型复杂、跨度大、各层结构体系不同的特点,本文结合呼和浩特东客运站通过对站房大跨度结构进行多维多点地震动响应分析,归纳行波效应下结构相应的特点,总结了行波效应对于结构动力性能的影响,为结构设计提供指导。
关键词:大跨结构多维地震多点输入
中图分类号:TU311文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)03(a)-0086-02
根据建筑功能设计的要求,一系列形式多样、跨度规模大、体型体系复杂的结构越来越多,呼和浩特东客运站主站房结构各层结构体系不同,楼面结构为预应力梁与普通RC楼板结构,而屋盖结构为拱形钢梁和双层球网壳等结构体系的组合;结构体系和材料的不同使结构的阻尼比也不同等,给传统结构设计提出了挑战。
大跨空间结构得到了越来越多应用的同时,对其动力性能也提出了更高的要求。由于地震波速度一般为每秒几百米至几千米,同时震源也可能不止一个点,而大跨空间结构的跨度较大,各支座间的距离较远,这样就容易导致结构各支座点的地震响应并不一致,存在着空间和时间上的差异。因此,研究考虑地震动空间变化特性对大跨空间结构的影响具有重要的理论意义和工程应用价值。
1 工程概况
呼和浩特东客运站房选址于呼和浩特市主城区东侧京包线上,该站由主站房和站台雨蓬组成,站台雨蓬与主站房之间设伸缩缝兼抗震缝分开。站房平面尺寸大约为183.500m×315.366m,主要的柱网尺寸有:15.588m×27m、31.177m×27m、62.354×27m(屋面)。主站房主要分为三层:地面层为出站厅、出站广场及配套设施、设备用房;结构如图1所示。站房屋面为由切割球形形成曲面和斜面组成,屋盖不设缝。主要标高分别为20m、21.8m、25.1m、27.8m、31.4m、33.4m和44.9m。屋盖结构为直径81m的球面钢结构屋盖,中心有一直径12m的开口,沿屋盖径向按圆心角7.5°的间距设置腹板开洞的拱形钢梁,钢梁的上下翼缘为箱形截面,腹板为钢板。沿环向在拱形钢梁之间布置钢管支撑(与钢梁刚接连接)且每隔圆心角60°另设置斜向支撑。压力由箱形截面和钢板组成的钢梁,张力环为由箱形截面和圆钢管组成的空间桁架,由标高31.400处的主桁架支承(如图1)。
2 大跨空间结构抗震原理
由于地震时地面运动是一个复杂的时间-空间过程,不仅具有时变特性,而且具有空间效应。当支座间距与地震波波长相当时,应考虑这种空间效应的影响,进行结构的多点输入地震反应分析。地震动产生空间效应的原因为:(1)行波效应。由于地震波速是有限值的,当各支点的距离与地震波的波长在同一数量级时,地震波到达各支点的时间不同,各支点间地震动产生了时间滞后(相位差)。(2)部分相干效应。由于地球介质的不均匀性,地震波会反射和折射,且震源不同位置传到不同支座的波叠加方式不同,由此产生各支点处地震动的频散损失和各支座所受的激励并不完全相干。(3)局部场地效应。各支座的局部土层不同,以及它们影响基岩振幅和频率成分方式不同。多点输入就是在地震动输入中考虑这种空间变化特性。
传统的结构地震响应分析大多忽略地震动空间变化的特点,即假定结构不同支座处的地面运动是一致的。结构跨度较小时该假定并不会产生较大误差,但对大跨度的建筑、桥梁结构的影响就会大得多,由此引出了大跨结构多点输入地震响应的计算问题。目前,对多点输入地震响应的研究仍处探索阶段,尚未建立完善的理论体系或设计方法,且仅有欧洲规范(EN1998-2)要求对超过规定跨度或局部场地土层特性变化较大的桥梁进行考虑地震动空间效应的多点输入分析。由于大跨结构形式多样,多点输入地震响应特征也各有不同,因此科研人员及设计师们通常着眼于具体的结构形式开展研究。
3 多点地震动输入动力方程
多点激励下结构的运动方程的建立,对于大跨网架结构,是把结构反应的总位移分为拟静态位移与动力相对位移之和,其运动方程可以用分块的形式表示为:
(1)
其中,、和分别表示地震激励下结构非支座节点的位移、速度和加速度向量;、和和分别表示地震激励下各支座节点的强迫位移、速度和加速度向量;表示地震动作用于网架结构各地面支座节点的力。
展开公式(1)第一行得到:
(2)
将结构支座节点位移分解成解成拟静态位移和动力相对位移两部分,即
(3)
其中拟静态位移可以通过令(1)式中所有动力项为零求得如下:
(4)
将式(3)代入式(2)得
(5)
将式(4)代入式(5)得
(6)
在(1)式中用代替,可得到:
(7)
将式(4)代入式(7)可得
(8)
其中称为拟静模态矩阵;为结构内部节点对地面支座节点的质量贡献;为结构内部节点对支座节点自由度的贡献。对于集中质量矩阵,令=0,这样(8)式为:
(9)
式(9)是多点激励下结构地震反应的基本运动方程。
4 动力特性分析
运用大型有限元软件Midas进行有限元分析,建筑结构设计基准期为50年,结构设计使用年限为100年。各种恒载、活载均按《建筑结构荷载规范》(GB5009—2001)取值;基本风压按100年一遇取为0.60kN/m2,地面粗糙度为B类;基本雪压按100年一遇取为0.45kN/m2。地震按设防烈度8度,场地特征周期为0.35s;考虑水平地震作用和竖向地震作用。采用的地震波为1940年美国埃森特罗波(EI-Centro波),地震时间间隔0.02s,持续时间为30s。视波速设为50m/s、100m/s、200m/s、300m/s。
通过对一致地震动输入与多点地震动输入时大跨结构的动力响应分析比较,可以看出,柱底反力受地震动输入形式的影响较大,考虑多点输入时,结构体型变化部位的柱底反力增大。对于结构杆件应力变化,在一致输入时,大跨空间结构的表面应力集中在内部,考虑多点输入时,应力逐渐向周围有柱的地方传播。在多点输入地震作用下,受拟静力位移影响较大的区域均主要集中于支座附近,拟静力位移影响从支座到跨中不断减弱。随着视波速的增大,多点输入的影响减小。水平地震和竖向地震作用下,拟静力位移在结构中的分布规律相似(如图2)。
5 结语
本文通过对呼和浩特东客运站房大跨空间结构进行单点输入和多点输入下的地震反应分析的结果对比,得出以下结论。
(1)对大跨空间结构进行抗震分析时,有必要考虑多点输入时的动力响应情况,作为设计指导。(2)拟静力位移对大跨空间结构的影响不能忽略,通过大量的有限元分析,得到不同参数情况下动力响应情况,可为工程设计提供参考依据,同时也验证了能量法计算方法的有效性。(3)在多点输入下结构杆件的绝对位移较一致输入时要小,但局部杆件的内力值却可能较一致输入下要大,即危险杆件的数量增加,需要引起设计师注意。(4)地震波波速对结果影响较大,在缺乏准确的地震传播速度时,应尽量选取多个视波速进行验算,以保证结果的可靠性。(5)结构空间刚度的分布是影响结构节点拟静力位移的重要因素。对于不同结构形式的空间结构而言,拟静力位移的影响对于跨度和周期变化的敏感程度不同,可知选择合理的结构形式可以有效减小拟静力位移的影响,减小空间地震动场的不利影响。
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