张 勋

(山西医科大学基建处，山西 太原 030001)



下部结构对钢管拱桁架抗震性能的影响

张 勋

(山西医科大学基建处，山西 太原 030001)

通过建立模型，从结构的节点位移、抗震承载力和破坏形式等方面，对三种不同下部结构钢管拱桁架进行了强震下动力弹塑性时程分析，结果表明，三种下部结构拱桁架都能够满足预期的抗震设防目标，下部结构形式会影响拱桁架结构的抗震承载力。

钢管拱桁架，下部结构，抗震承载力，动力弹塑性分析

0 引言

空间立体钢管拱桁架结构是一种具有造型美观，受力明确，结构刚度大，用钢量小等优点的常用大跨度空间结构形式。该结构形式常用于车站，候机厅，体育馆，飞机库，工业厂房等，这些建筑雄伟壮观、令人叹为观止，不仅仅是一个地区的地标，更展示了一个国家的建筑科学技术水平[1]。现今对于大跨钢管拱桁架结构在静力作用下弹塑性阶段研究已比较详尽，但对于强震作用下的动力弹塑性研究还不够透彻。本文采用动力弹塑性时程分析法对三种不同落地形式的钢管拱桁架结构强震下的动力响应进行分析，以对比不同落地形式对钢管拱桁架抗震性能的影响。

1 计算模型及计算方法

1.1 计算模型

拟建三个不同下部结构钢管拱桁架为模型，几何尺寸如图1所示，采用空间钢结构软件3D3SV12.1程序建模，SAP2000v15程序优化设计并进行弹塑性时程分析[2]，研究下部结构对拱桁架的抗震性能影响。

拱桁架模型所用材料采用Q235B热轧无缝圆钢管。倒三角型钢管拱桁架的上弦杆截面为102×4.0，127×6.0，140×6.0和159×8.0，下弦杆截面为127×6.0，140×6.0，159×8.0和180×1.0，腹杆和斜撑杆截面为88×4.0。钢筋混凝土柱截面为1.2 m×0.8 m。

为保证结构在失效前不发生平面外失稳，在拱桁架结构模型中设置三个侧向约束。考虑拱桁架的杆件细小且主要承受轴力，杆件和支座都简化为铰接连接。

1.2 荷载及工况

考虑屋面做法和太阳能系统上弦恒荷载取0.65 kN/m2，吊顶及马道直接作用于下弦取1.0 kN/m2，拱桁架结构自重由程序自动计算。根据《钢结构设计规范》[3]，超大面积屋面活荷载取0.3 kN/m2。根据《建筑结构荷载规范》[4]，基本雪压取0.35 kN/m2。太原地区基本风压取为0.4 kN/m2。根据《建筑抗震设计规范》[5]，拟建地区太原的设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.2g。

考虑各荷载的不利影响在拱桁架设计时共计算30种不同的荷载组合工况，在进行动力时程分析时考虑的荷载组合为：1)1.20×(恒+0.50雪)+1.30水平地震；2)1.20×(恒+0.50雪)+1.30竖向地震；3)1.20×(恒+0.50雪)+1.30水平地震+1.30×0.50竖向地震。

1.3 计算方法

考虑各工况组合，运用振型分解反应谱法计算地震作用，设计出满足实际工程的拱桁架杆件截面。然后通过SAP2000软件对拱桁架进行时程分析，选用EL-Centro波分别从水平向和竖向输入直接落地、格构柱落地和钢筋混凝土柱落地三种下部结构拱桁架，把恒荷载和雪载下结构的应力和变形作为时程分析的初始条件，在拱桁架的杆件中定义MPP塑性铰，通过逐步加大EL-Centro波的最大加速度峰值为参数得到三种不同下部结构拱桁架结构的抗震性能。

2 计算结果及分析

2.1 模态分析

观察图2可以发现，三种落地形式拱桁架结构的自振周期发展平缓，结构的质量和刚度分布对称，均匀。由于直接落地拱桁架结构没有下部结构，同振型的结构自振周期最小，即结构刚度最大，钢筋混凝土柱落地结构次之，格构柱落地拱桁架自振周期最大，即结构刚度最小。

2.2 结构的节点位移响应分析

由图3可知，三种落地下部结构拱桁架的弹性工作阶段的地震加速度峰值都远远超过了70gal，达到破坏时的临界加速度峰值都超过了400gal，即能够达到“小震不坏，大震不倒”的抗震性能设计要求。直接落地拱桁架结构由水平向地震起控制作用，破坏界限加速度值为612gal。格构柱落地拱桁架结构由水平向地震起控制作用，破坏界限加速度值为547gal。钢筋混凝土柱落地拱桁架结构由水平向地震起控制作用，破坏界限加速度值为556gal。随着地震波加速度峰值的增大，结构的水平位移和竖向位移也随之增大。直接落地钢管拱桁架刚度较钢筋混凝土柱落地和格构柱落地拱桁架大，故同一地震加速度峰值地震波作用时的水平位移和竖向位移均较小。

2.3 结构延性系数及耗能分析

由表1可知，水平地震作用下直接落地、钢筋混凝土柱落地和格构柱落地拱桁架结构的位移延性系数都大于1.80，但由于结构加载的初始状态为重力荷载代表值(永久荷载+雪荷载)且结构有侧向支撑作用，水平地震作用下的结构位移延性系数都要大于竖向地震作用。直接落地拱桁架的结构延性和耗能能力最好，格构柱落地拱桁架结构的延性和耗能能力要优于钢筋混凝土柱落地结构。

表1 EL-Centro波作用下不同结构的位移延性系数

2.4 结构破坏形式分析

由于三种下部结构拱桁架的抗震性能都由水平地震作用控制，根据图4可知，拱桁架结构在破坏时大部分杆件都还处于弹性阶段，结构破坏是由于少数杆件破坏导致。直接落地拱桁架结构失效是由于拱桁架1/4处的腹杆破坏，然后拱桁架结构变成机构而破坏。格构柱落地钢管拱桁架结构破坏发生在拱桁架1/4处，表明此处是格构柱落地拱桁架结构最薄弱的地方。钢筋混凝土柱落地拱桁架结构失效是由于拱桁架1/4处上弦杆和支座处下弦杆被拉断，表明这两处是钢筋混凝土柱柱落地拱桁架结构最薄弱的地方。

3 结语

1)直接落地、格构柱落地和钢筋混凝土柱落地三种不同下部结构拱桁架在地震作用下的动力响应不同，相对于直接落地拱桁架，带下部结构的拱桁架抗震承载力有所降低，但都能够满足预期的抗震设防目标。

2)三种不同下部结构拱桁架的抗震承载力都由水平向地震作用控制，其中格构柱落地拱桁架的动力响应最大，直接落地钢管拱桁架结构的结构延性系数最大。

3)从三种下部结构拱桁架在强震下的破坏形式看，拱桁架的1/4处都是结构的薄弱环节，在结构分析时应当引起注意。

[1] 沈世钊.大跨度空间结构的发展——回顾与展望[J].土木工程学报,1998,31(3):5-14.

[2] 北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文版使用指南[M].北京:人民交通出版社，2012.

[3] GB 50017—2003，钢结构设计规范[S].

[4] GB 50009—2012，建筑结构荷载规范[S].

[5] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

On influence of lower parts on steel pipe arch truss’s seismic performance

Zhang Xun

(InfrastructureDivisionofShanxiMedicalUniversity,Taiyuan030001,China)

By establishing the model, the paper undertakes the dynamic elastic-plastic time-history analysis of the three kinds of lower parts on steel pipe arch truss under severe earthquakes from the joint displacement, seismic loading capacity and damage forms of the structure, proves by the result that the three lower structures can meet the demands of the expected seismic protection, indicates the lower parts can affect the seismic loading capacity of the arch truss structure.

steel pipe truss, lower structure, seismic loading capacity, dynamic elastic-plastic analysis

1009-6825(2016)18-0042-02

2016-04-15

张 勋(1987- )，男，工程师

U441.3

A