大跨度組合梁與預應力砼梁地震響應對比研究

張 妤， 周 安

(1.安徽工業職業技術學院 資源開發系， 安徽 銅陵 244000；2.合肥工業大學 土木建筑工程學院， 安徽 合肥 230009)

大跨度組合梁與預應力砼梁地震響應對比研究

張 妤1， 周 安2

(1.安徽工業職業技術學院 資源開發系， 安徽 銅陵 244000；2.合肥工業大學 土木建筑工程學院， 安徽 合肥 230009)

選擇相同跨度的組合梁與預應力梁工程實例，通過計算機仿真軟件模擬分析兩者在同一地震波作用下的地震響應時程曲線，對比研究兩者的抗震性能。

大跨度； 鋼-混凝土疊合板組合梁； 預應力混凝土梁； 地震響應

0 引 言

近年來,越來越多的公共建筑在大空間方面要求提高,梁的跨度也因為抽柱而越來越大。鋼-混凝土疊合板組合梁和預應力混凝土梁是目前國內大跨度梁較常見的做法。其中，鋼-混凝土疊合板組合梁有效地利用鋼材抗拉和混凝土抗壓的材料特性，承載力高，施工簡便。而預應力混凝土組合梁具有改善結構性能、抗裂性好，提高構件剛度和耐久性的優點。在地震區采用大跨度梁，對于梁體抗震性能的了解是非常重要的。文中在國內選擇35 m跨度的組合梁和預應力梁工程實例，通過計算機仿真模擬，分析比較兩者的地震響應時程曲線。

1 組合梁地震響應分析

1.1組合梁工程概況[1]

珠海清華科技園一期創業大樓,建筑平面呈矩形，長141 m，寬30.2 m，高48.2 m，十一層。一層至九層為東、西兩座獨立樓體，十層以上連接大梁的跨度為35 m，原設計采用鋼骨混凝土梁，考慮到大體積混凝土的溫度效應及有效控制裂縫寬度的要求，后期改為鋼-混凝土疊合板組合梁方案，取得較好的經濟效益。其截面如圖1所示。

圖1 鋼-混凝土疊合板組合梁截面詳圖

1.2組合梁地震響應計算

針對工程實例的疊合板組合梁模型，采用有限元程序ANSYS進行模擬分析。為節省計算機耗時，仿真分析采用半跨組合梁模型尺寸分析。其中，混凝土翼板采用SOLID65單元，鋼梁采用SHELL43單元，混凝土翼板和鋼梁之間連接件的縱向抗剪作用采用COMBINE39單元模擬[2-3]。

組合梁地震響應分析采用動力學計算的瞬態分析方法。選擇頻譜比豐富的El-centrol雙向地震波作為組合梁的激勵[4]，其加速度最大幅值分別為3.12 m/s2和1.82 m/s2。地震波通過慣性載荷輸入給模型。本例計算前12 s的地震響應,加載時，將每秒劃分為50個子步，子步的時間間隔為0.02 s，共計600步。假定組合梁在初始時刻保持靜定狀態，初始位移和初始速度為零。通過循環語句設定，在每一步求解結束后自動進入下一個子步。重復以上步驟，直至所有12 s全部求解完畢。

1.3響應計算結果分析[5]

1.3.1 跨中水平位移時程曲線結果分析

分析組合梁在El-centrol地震波作用下的時程曲線，以跨中水平位移值作為研究對象。分別提取跨中上、中、下三點水平位移的時程曲線如圖2所示。

(a) 翼板上表面的水平位移時程曲線

(b) 翼板與鋼梁交界面處的水平位移時程曲線

(c) 鋼梁下表面的水平位移時程曲線

分析圖2的時程曲線數據，組合梁水平位移數值大小隨El-centrol地震波加速度變化而變化，最大側向位移值均出現在第二秒左右。其中，跨中上表面向左的最大側向位移為55.806 mm，向右的最大側向位移為60.151 mm(圖2(a))；組合梁翼緣和鋼梁交界面處向左最大側向位移為58.405 mm，向右最大側向位移為-62.444 mm(圖2(b))；鋼梁跨中下表面位移向左最大側向位移為96.164 mm，向右最大側向位移為-94.762 mm(圖2(c))。由于建模時認為上下截面交界處在水平和豎直方向的位移耦合，因此混凝土下表面和鋼梁上表面的水平位移相同。

比較混凝土翼板和鋼梁的側向位移最大值，可以發現鋼梁的側向位移值遠大于混凝土翼板的側向位移值，幾乎是混凝土翼板側向水平位移值的兩倍。究其原因，主要是由于混凝土翼板尺寸較寬，可以獲得較大的側向剛度，而下端鋼梁的翼緣寬度僅400 mm，腹板厚度僅25 mm，無法獲得較大的側向剛度，導致其在水平地震作用下位移很大。另一方面，混凝土翼板較好的側向剛度也為鋼梁提供輔助的側向支撐，可以間接減少鋼梁的側向位移。

1.3.2 跨中豎向位移時程曲線結果分析

在豎向地震波作用下，組合梁的豎向位移時程曲線如圖3所示。

圖3 組合梁跨中豎向位移時程曲線

分析圖3所示組合梁豎向撓度時程曲線，撓度值保持在8 mm上下波動2 mm，8 mm的豎向位移值是由重力加速度作用下組合梁的原始撓度，因為重力加速度不隨時間改變，因此組合梁自重引起的豎向撓度在時程曲線中保持不變(8 mm左右)，2 mm的撓度波動值則是由El-centro地震波引起的豎向位移值。比較自重下的撓度值和地震作用下組合梁的撓度波動值可見，對于大跨度鋼-混凝土組合梁，由地震作用引發的豎向撓度可以忽略不計。究其原因是因為地震作用,對梁體產生地震激勵主要取決于其自身的質量，因此，它的質量越大，地震作用也越大。鋼-混凝土組合梁能夠在較小的自重下具有較高的剛度，使其在地震作用下承受的慣性力非常小，因而其位移時程曲線數值也很小。由于其豎向剛度非常大，豎向地震作用引起的位移非常小。

2 組合梁地震響應分析

2.1預應力混凝土梁工程概況

安徽合肥某大型體育場館(內有夾層)由于功能要求，室內必須采用大空間，因而柱距較大，最大跨度達到35 m。為避免鋼結構后期防銹、防火等維護困難，多方比較后采用現澆預應力混凝土結構，35 m跨預應力后張法混凝土梁，截面高2 400 mm，寬600 mm，曲線預應力鋼筋，截面圖如圖4所示。

(a) 梁支座截面詳圖 (b) 梁跨中截面詳圖

2.2預應力混凝土梁地震響應分析

對該35 m跨的預應力混凝土梁輸入Alcentro地震波，利用計算機仿真軟件生成地震作用下的水平位移時程曲線和豎向位移時程曲線如圖5所示。

(a) 水平位移時程曲線 (b) 豎向位移時程曲線

從圖中可見，該預應力混凝土梁的跨中水平位移最大值為34.06 mm，跨中豎向位移最大值為2.592 mm，都遠遠小于規范要求的位移限值。比較鋼-混凝土組合梁和預應力混凝土梁的時程曲線可知：

1)水平地震時程曲線對比：鋼-混凝土疊合板組合梁的水平位移大于預應力混凝土梁的水平位移，尤其是組合梁下部鋼梁的水平位移較大，主要是由于鋼梁的水平剛度相對較弱，需要依賴混凝土提供側向剛度抵抗水平地震作用。

2)豎向地震時程曲線對比：在地震作用下，鋼-混凝土疊合板組合梁與預應力混凝土梁的豎向地震效應均遠小于水平地震作用的地震效應，兩者的豎向位移值大致相當。

預應力混凝土梁在跨度比較大時，承受的荷載以自重為主，為了滿足承載力的需求，需要的截面尺寸比較大，使結構的剛度隨之增大，地震作用對梁體的影響相對于自重要小很多。

3 時程曲線數據分析與結論

綜合分析以上數據，可以得出如下結論：

1)鋼-混凝土疊合板組合梁與預應力混凝土梁的地震效應均遠小于規范規定的位移限制。主要原因是組合梁充分利用自身材料特性，節省材料；預應力混凝土梁采用高強鋼筋與混凝土，降低自重，在相同的地震激勵下，二者的地震慣性力較小。

2)對于剛度較大的大跨度梁體，地震作用的影響相對于重力作用來說可以不考慮。

[1] 范旭紅,石啟印,馬波.鋼-混凝土組合梁的研究與展望[J].江蘇大學學報:自然科學版,2004,25(1):89-92.

[2] 湯偉,嚴國忠,戚衛東.大跨度預應力梁后張法施工技術[J].浙江建筑，2007,24(9):81-82.

[3] 聶建國,余志武.鋼-混凝土組合梁在我國的研究與應用[J].土木工程學報,1999,32(2):3-8.

[4] 李香,李偉,陳淑清,等.移動荷載作用下梁式結構耦合振動[J].長春工業大學學報:自然科學版，2013,34(5):525-528.

[5] 徐鶴山.ANSYS在建筑工程中的應用[M].北京:機械工業出版社,2005.

[6] Bathe K J. Nunerical methods in finite element analysis[M].New Jersey: Englewood Cliffs,1996.

[7] 邱文亮，張哲，黃才良.鋼-混凝土組合梁雙層梁有限元分析方法[J].大連理工大學學報，2003，43(1)：101-103.

[8] 張妤,周安.大跨度鋼-混凝土組合梁的地震響應[J].中華建設，2012，84(5):222-223.

Comparison of seismic responses between long span composite beam and prestressed concrete beam

ZHANG Yu1， ZHOU An2

(1.Resources Development Department, Anhui Industry Polytechnic, Tongling 244000, China；2.School of Civil Engineering, Hefei Tniversity of Technology, Hefei 230009, China)

Taking both the composite beams and prestressed girder with same span as examples, seismic time-history response curves under the same seismic wave are recorded by means of computer simulation. The seismic performances are compared.

large span； steel and concrete composite beams； prestressed concrete beams； the earthquake response.

2014-07-23

張 妤(1978-)，女，漢族，吉林松原人，安徽工業職業技術學院講師，碩士，主要從事建筑工程組合結構抗震分析、建筑工程技術專業教育研究,E-mail:99018561@qq.com.

TU 378.2

A

1674-1374(2014)06-0735-04