強震下某平板網架結構動力彈塑性失效分析

張建媛

山西交通職業技術學院（030031）

強震下某平板網架結構動力彈塑性失效分析

張建媛

山西交通職業技術學院（030031）

這里以某兼具地震應急避難所功能的體育館為研究對象，研究其在強震作用下的損壞形態和機理、極限承載力和延性性能。

大跨網架結構；塑性鉸；時程分析；抗震性能

0 引言

由于網架結構較其他空間結構具有整體性強、空間剛度大、節省鋼材等獨特優點，常作為地震避難所和救災指揮的場地。但我國對大跨網架結構的抗震性能研究還不全面。因此，研究該類結構強震下的彈塑性失效模態對其抗倒塌性能設計具有防災減災意義。

1 模型參數

結構上部正方四角錐網架斜屋面采用屋架上弦自起坡雙坡屋面，坡度為5%，網架上弦最低點標高為12 m。網架尺寸為40 m×56 m，網格尺寸為4 m×4 m，最小網格高度為3.5 m。網架邊緣下部采用格構式落地，橫向柱距12 m，縱向柱距為8 m。采用3d3s軟件設計該網架，并根據計算結果選用桿件。

采用SAP2000軟件進行結構分析，根據《建筑抗震設計規范》，時程分析時所用地震加速度時程曲線的最大值為：多遇地震70 gal,罕遇地震400 gal。

2 動力彈塑性時程分析

2.1 動力彈塑性時程分析的初始條件

鋼結構材料的本構關系假定為雙線性隨動強化彈塑性材料模型。選用EL波對該結構進行動力彈塑性分析，地震波持續時間取19 s。設計分析時根據《建筑結構荷載規范》考慮恒載0.5 kN/m2和雪載0.35 kN/m2施加于結構，在此初始條件下繼續進行動力時程分析。

2.2 塑性鉸的定義

為模擬結構進入彈塑性后狀態，在SAP2000軟件中定義塑性鉸。由于網架結構的桿件主要承受軸力，本文用“屈服力和屈服位移”歸一化法，定義軸力鉸(P鉸)的“廣義力—廣義位移”曲線,參見FEMA356[1]。

2.3 EL波作用下結構的響應分析

本文采用動力增量法對結構進行時程分析。當地震波加速度峰值達到205 gal以前時，結構處于彈性階段。達到205 gal時，出現第一個塑性鉸（BIO），結構開始進入彈塑性階段；此時結構相對位移上部為26.80 mm，下部為17.33 mm，定義此時屈服位移比均為1。在600 gal時，結構中9.13%的桿件出現塑性鉸。在此基礎上增加4 gal，結構中塑性鉸數量增加到10.05%，其中C-E鉸迅速增加到107個。到605 gal時，結構響應處于發散狀態，發生強度失效。結構特征節點水平位移-加速度峰值曲線如圖1所示。

圖1 特征節點水平位移-加速度峰值曲線

該結構在三向地震共同作用下，其彈性臨界和彈塑性失效加速度峰值分別為205 gal和604 gal，遠大于規范規定的70 gal和400 gal。

根據B-R判斷準則[2]，三向地震作用下結構失效是由下部支撐結構、柱頭附近網架局部桿件強度破壞和彈塑性動力失效而導致的復雜組合失效。

3 結語

結構在強震下的失效模式是復雜的組合失效。在三向EL地震波作用下，結構達到彈塑性失效極限的地震波加速度峰值為604 gal，大約為8度罕遇地震（0.4 g）的1.5倍，因此該結構可作為抗震設防烈度為8度地區的地震應急避難所。結構達到臨界失效點時，延性系數為5.53，可見，結構有較好的變形能力和消耗地震能的能力。

[1]FEMA 356 The Seismic Rehabilitation ofBuildings[S].Federal Emergency Management Agency,2000.

[2]沈士釗,陳昕.網殼結構穩定性[M].科學出版社,1999.