下部支承對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)震響應(yīng)影響規(guī)律研究

陳 強(qiáng)

(中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，中國(guó)地震局地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150000)

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)由于其構(gòu)造簡(jiǎn)單、造型優(yōu)美，被廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中。支旭東[1-2]對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)諧荷載、地震動(dòng)作用下的失效機(jī)理做了研究，提出了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)動(dòng)力失穩(wěn)破壞和強(qiáng)度破壞兩種失效模式。聶桂波[3]利用ABAQUS對(duì)單層柱面網(wǎng)殼進(jìn)行了考慮材料累計(jì)損傷的參數(shù)化分析，總結(jié)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的失效規(guī)律。之后，Nie[4]基于前邊研究開(kāi)展地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，繼續(xù)深入研究了單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)震失效模式。基于此，本文在柱面網(wǎng)殼基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)雙層傾斜柱面網(wǎng)殼，并對(duì)其下部支承部分重要參數(shù)下的強(qiáng)震響應(yīng)規(guī)律開(kāi)展研究。

1 雙層傾斜柱面網(wǎng)殼有限元模型

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)選取

規(guī)范[5]規(guī)定網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度L、矢高f、厚度t、網(wǎng)格尺寸均由寬度B控制，基于此選擇網(wǎng)殼有限元模型寬度L=B=18m、厚度t=1.5m，矢跨比1/5，網(wǎng)殼部分網(wǎng)格尺寸為2m，桿件尺寸根據(jù)MST滿(mǎn)應(yīng)力設(shè)計(jì)確定。選取下部支承高度分別為h1；h2=6；9m(模型A)、h1；h2=9；12m(模型B)、h1；h2=12；15m(模型C)。以柱截面尺寸模擬下部支承剛度，截面尺寸分別為400mm×20mm(模型D)、600mm×20mm(模型E)、800mm×20mm(模型F)、1 000mm×20mm(模型G)。通過(guò)改變模型下部支承參數(shù)來(lái)研究相關(guān)參數(shù)下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果。選取6條地震動(dòng)，采用逐步增加地震動(dòng)幅值的方式對(duì)模型進(jìn)行地震動(dòng)輸入，篇幅所限本文以蘆山地震動(dòng)LSF波和人工地震動(dòng)RG波為例進(jìn)行總結(jié)。

1.2 有限元模型設(shè)計(jì)

模型取恒荷載0.5kN/m2，活荷載取0.2kN/m2，以集中荷載的形式均勻添加至上弦節(jié)點(diǎn)之上。有限元模型簡(jiǎn)化為下部支承柱與網(wǎng)殼下弦球節(jié)點(diǎn)相連，由于桿件尺寸遠(yuǎn)大于螺栓球(直徑200mm)尺寸，因此將球節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化為點(diǎn)質(zhì)量，桿件和支承柱采用考慮橫向剪切變形的B31梁?jiǎn)卧瑮U件材料采用基于ABAQUS編寫(xiě)的累積損傷本構(gòu)模型，支承柱采用彈性本構(gòu)模型，其他規(guī)定不再贅述。有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2 下部支承結(jié)構(gòu)參數(shù)強(qiáng)震響應(yīng)規(guī)律

2.1 下部支承高度對(duì)結(jié)構(gòu)影響規(guī)律探究

為了研究結(jié)構(gòu)下部支承對(duì)網(wǎng)殼強(qiáng)震響應(yīng)的影響規(guī)律，建立下部支承高度分別為h1；h2=6；9m(模型A)、h1；h2=9；12m(模型B)、h1；h2=12；15m(模型C)的三組有限元模型，三組模型支承柱截面尺寸600×20mm，網(wǎng)殼厚度1.5m，矢跨比1/5，網(wǎng)殼水平兩方向長(zhǎng)度均為18m。選取殼心三向加速度和豎向最大位移作為動(dòng)力響應(yīng)輸出結(jié)果。圖2(a)(b)(c)(d)分別為結(jié)構(gòu)在不同下部支承高度下的動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果。由圖可以看到，隨著結(jié)構(gòu)輸入地震動(dòng)幅值大小的增加，結(jié)構(gòu)殼心動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果也在明顯變大，模型A、B、C 在RG波和LSF波下的失效極限荷載分別為0.7g、0.6g、0.5g ；0.8g，0.7g、0.6g，即結(jié)構(gòu)隨著高度增加更容易發(fā)生破壞，且由圖2(d)看出破壞時(shí)曲線急劇變化，即結(jié)構(gòu)出現(xiàn)倒塌。這是因?yàn)殡S著結(jié)構(gòu)高度增加，相同地震動(dòng)下柱頂加速度增大，網(wǎng)殼通過(guò)柱頂?shù)膫鬟f獲得了更大的加速度，即下部支承高度的增加引起柱頂動(dòng)力響應(yīng)放大效應(yīng)的增強(qiáng)，繼而引起網(wǎng)殼動(dòng)力響應(yīng)增大。

(a)X向加速度峰值(b)Y向加速度峰值(c)Z向加速度峰值(d)最大節(jié)點(diǎn)位移圖2 不同支承高度下動(dòng)力響應(yīng)峰值結(jié)果

2.2 下部支承剛度對(duì)結(jié)構(gòu)影響規(guī)律探究

選取柱截面尺寸分別為400mm×20mm(模型D)，600mm×20mm(模型E)，800mm×20mm(模型F)，1 000mm×20mm(模型G)，的四個(gè)模型，下部支承柱高度為h1;h2=6,9m，網(wǎng)殼厚度1.5m，矢跨比1/5，網(wǎng)殼水平兩方向長(zhǎng)度均為18m。圖3(a)(b)(c)(d)為結(jié)構(gòu)在不同支承剛度下的動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果，由圖可以看出，模型D、E、F、G 在RG波和LSF波下的失效極限荷載分別為1.0g、 0.7g、 0.6g、 1.0g； 1.2g、 1.0g、 0.8g、 1.0g，隨著柱截面尺寸的增加，結(jié)構(gòu)加速度、位移極值先增加后減小，極限失效荷載先減小后增加，說(shuō)明下部支承剛度對(duì)結(jié)構(gòu)抗震能力影響并非線性的，當(dāng)下部支承剛度趨近于無(wú)窮大時(shí)，相當(dāng)于結(jié)構(gòu)下部支承為剛體而不會(huì)產(chǎn)生加速度、位移，而通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)合理的設(shè)計(jì)，即使選取較小的下部支承剛度，結(jié)構(gòu)也會(huì)具有良好的抗震性能。

(a)X向加速度峰值(b)Y向加速度峰值(c)Z向加速度峰值(d)最大節(jié)點(diǎn)位移圖3 不同支承剛度下動(dòng)力響應(yīng)峰值結(jié)果

3 結(jié) 論

本文建立雙層傾斜柱面網(wǎng)殼模型，并通過(guò)有限元軟件ABAQUS對(duì)結(jié)構(gòu)下部支承參數(shù)進(jìn)行一系列動(dòng)力響應(yīng)分析，得到網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)下部支承高度和下部支承剛度的強(qiáng)震響應(yīng)規(guī)律，總結(jié)如下。

(1)下部支承高度影響規(guī)律。隨著支承高度的增加，柱頂對(duì)輸入加速度放大效應(yīng)變強(qiáng)，導(dǎo)致網(wǎng)殼動(dòng)力響應(yīng)增大，結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生破壞。

(2)下部支承剛度影響規(guī)律。隨著下部支承剛度的增加，動(dòng)力響應(yīng)先增加后減小，結(jié)構(gòu)抗震能力先減小后增強(qiáng)，即合適的下部支承剛度以及較大的下部剛度都會(huì)提升結(jié)構(gòu)的抗震能力，網(wǎng)殼下部剛度設(shè)計(jì)要結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性合理選取。