長懸臂鋼結構桁架極限地震下破壞模式優化

張 旭 紅

(太原理工大學建筑與土木工程學院，山西 太原 030024)

0 引言

某高鐵客運站候車大廳主體結構屋蓋采用多柱長懸臂鋼結構桁架，該結構以每根鋼柱及其長懸臂為一個受力單元，按照懸臂端連接的方式組合而成結構體系。由于結構體系新穎，功能重要，投資巨大，因此結構在罕遇地震下的防倒塌設計十分重要。本文對結構輸入符合場地特征的極限地震波進行彈塑性時程分析，以結構破壞過程中的彈塑性變形耗能性能為指標，對其破壞模式進行了優化。所謂極限地震是指對結構足以造成嚴重的地震。結構在極限地震下的破壞模式對結構的常規設計具有明確的參考價值。

1 多柱長懸臂鋼結構桁架屋蓋結構特征

單柱長懸臂鋼結構桁架屋蓋單側懸臂長度28 m，多柱組合后柱間跨度為56 m。單柱受力單元平面如圖1所示。該結構所有桿件為焊接方形截面，桿件之間為相貫節點連接，結構中典型節點如圖2所示。根據常規設計結果，單柱懸臂端與根部桿件平均應力比為0.62，極差0.08，表明原設計各部位構件應力比在常規設計工況下較為均勻。

2 極限地震波選取與材料本構關系

極限地震波合理選取對結構彈塑性時程分析結果影響巨大。選擇符合Ⅲ類場地的豎向地震波作為極限巨震輸入，并調整振幅使結構達到嚴重破壞，峰值加速度8 000 mm/s2，見圖3。

鋼材本構關系采用三折線彈塑性模型，Q235和Q345兩種鋼材的本構關系如圖4所示，彈性模量為206 GPa，泊松比0.3，鋼材密度7 850 kg/m3。

本文應用ABAQUS有限元分析軟件進行建模，該軟件建模方便，能夠較好的模擬鋼材的性質。ABAQUS軟件具有非常強大的求解非線性問題及大型復雜問題的能力，能夠較為準確的對結構進行彈塑性時程分析。根據結構特點，采用B32梁單元來模擬各類型鋼和鋼管。

3 極限地震作用下破壞模式優化

將所選極限地震波輸入結構模型，彈塑性動力時程分析結果表明：破壞主要集中在柱兩側懸臂根部各三個節間內的構件上，如圖5，圖6所示。這表明結構在極限地震下為整體垮塌的破壞模式。分析原因發現，雖然原設計各部位構件應力比在常規設計工況下較為均勻，但由于懸臂根部集中有較多質量，故破壞集中在了懸臂根部。為使結構在極限地震下破壞部位離開懸臂根部而轉移至懸臂端部，從而有效保護懸臂根部構件在極限地震作用下的安全，修改懸臂端構件應力比平均值，使其提高到0.75，懸臂根部構件應力比均值下降至0.55，整體結構應力比極差修正為0.15。

由圖7可知，多柱連接部位的懸臂端部構件應力比提高后，結構在極限地震作用下，結構破壞部位由懸臂根部三個節間轉移到了懸臂端部的四個節間；由圖8可知，優化后的結構比優化前的結構彈塑性變形耗能增大了20%，表明結構在極限地震下的破壞模式得到了明顯優化，從而避免了結構在極限地震下的整體垮塌。

4 結語

為避免多柱長懸臂鋼結構桁架屋蓋在極限地震下的整體垮塌破壞，應保護立柱與懸臂根部構件的安全。通過弱化多柱連接的懸臂端部的構件，提高其平均應力比，使其在極限地震中能夠較早地進入塑性階段，吸收大多地震能量，破壞有效地保護了立柱與懸臂根部構件的安全。本文方法對多柱長懸臂鋼結構桁架屋蓋的常規設計提供了有益的參考價值。

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