預(yù)應(yīng)力大跨度空間結(jié)構(gòu)多點(diǎn)地震動(dòng)研究★

劉金芳 肖建春 王 舒

(貴州民族大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 550025)

預(yù)應(yīng)力大跨度空間結(jié)構(gòu)多點(diǎn)地震動(dòng)研究★

劉金芳 肖建春 王 舒

(貴州民族大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 550025)

簡(jiǎn)述了大跨度空間結(jié)構(gòu)的組成及其優(yōu)勢(shì)，介紹了結(jié)構(gòu)多點(diǎn)抗震的研究現(xiàn)狀和方法，并從地震波的選用與調(diào)整、多點(diǎn)輸入運(yùn)動(dòng)方程的建立等方面入手，分析了地震地面運(yùn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，得到了一些有益結(jié)論，以供參考。

結(jié)構(gòu)，地震動(dòng)，地震波，行波效應(yīng)

1 概述

大跨度空間結(jié)構(gòu)主要是由網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及其組合結(jié)構(gòu)和雜交結(jié)構(gòu)組成。這類結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是受力比較合理、剛度大、重量輕、制作安裝方便。隨著社會(huì)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的騰飛，大跨度空間結(jié)構(gòu)應(yīng)用十分廣泛，不僅被應(yīng)用到屋蓋結(jié)構(gòu)，而且可用于樓層結(jié)構(gòu)、墻體結(jié)構(gòu)和特種結(jié)構(gòu)?？梢哉f(shuō)這類結(jié)構(gòu)是最近二十年來(lái)發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)形式，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者為大跨度空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展投入了大量的精力。在研究的基礎(chǔ)上我們國(guó)家的大跨度結(jié)構(gòu)得到了實(shí)質(zhì)的發(fā)展。

預(yù)應(yīng)力大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)是把現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力技術(shù)引用到諸如網(wǎng)架、網(wǎng)殼等網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、索、桿組成的張力結(jié)構(gòu)、立體桁架結(jié)構(gòu)等一類大跨度結(jié)構(gòu)，從而形成一類新型的、雜交的預(yù)應(yīng)力大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)體系。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)受到社會(huì)的普遍關(guān)注和重視，并且逐漸被應(yīng)用在大跨度、大柱網(wǎng)的公共與工業(yè)建筑中。

2 結(jié)構(gòu)多點(diǎn)地震分析的問題

地震動(dòng)產(chǎn)生的波在向四周傳播的過程中，存在時(shí)間的特性和空間的特性的變化，空間特性上的變化主要有以下三個(gè)方面的表現(xiàn)形式：

1)行波效應(yīng)。當(dāng)大跨度空間結(jié)構(gòu)的支座間的距離超過一定數(shù)值的時(shí)候，由于地震動(dòng)的波速有一定的限值，所以地震波到達(dá)各個(gè)支承點(diǎn)會(huì)存在時(shí)間上的先后次序。

2)部分相干效應(yīng)。由于地震波的折射、反射以及散射的原理，或者幾部分的迭加，使得各支承點(diǎn)所受到的地面運(yùn)動(dòng)并不完全相干。

3)局部場(chǎng)地效應(yīng)。由于建筑物所處場(chǎng)地土壤條件的不同，地面運(yùn)動(dòng)的差異由此產(chǎn)生。

因此在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析的時(shí)候，我們首先考慮的是建筑物是否是大跨度結(jié)構(gòu)，對(duì)于跨度較小的結(jié)構(gòu)，地震波在空間特性上的變化相對(duì)較小，可以不考慮跨度帶來(lái)的影響，不影響結(jié)構(gòu)抗震的設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)結(jié)構(gòu)的跨度與地震波波長(zhǎng)差異性較小時(shí)，在受到地震作用的時(shí)候地震動(dòng)空間特性變化對(duì)建筑物的影響就不能忽視，這時(shí)不同的結(jié)構(gòu)支承點(diǎn)所受的地震波的變化都是不同的，要考慮地震動(dòng)場(chǎng)點(diǎn)的振動(dòng)相關(guān)性，就是多點(diǎn)激勵(lì)的問題，同時(shí)還需要考慮地震波在傳播過程中有一定的相位差(行波效應(yīng))來(lái)進(jìn)行地震反應(yīng)分析。

3 地震波的選用與調(diào)整

結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震分析采用時(shí)程法時(shí)，地震波加速度時(shí)程曲線需直接輸入，地震波受多種因素影響而變化，如發(fā)震斷層位置、板塊運(yùn)動(dòng)方式、距震中的距離、波傳遞途徑的場(chǎng)地條件、場(chǎng)地土構(gòu)造和類別等等。而且同一場(chǎng)地震在同一場(chǎng)地的地震記錄波可能不盡相同，因此無(wú)法準(zhǔn)確的提供場(chǎng)地地震波的時(shí)程曲線，這一問題是采用時(shí)程分析時(shí)需要考慮的。

經(jīng)過時(shí)程分析驗(yàn)證，地震波時(shí)程曲線不同，所計(jì)算出的地震反應(yīng)相差很大，如彈塑性位移和內(nèi)力相差幾倍，甚至十幾倍之多。地震具有隨機(jī)的特性，因此合理選擇地震波來(lái)進(jìn)行直接動(dòng)力分析是保證計(jì)算結(jié)構(gòu)可靠性的重要指標(biāo)。對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)，當(dāng)場(chǎng)地特性不同時(shí)，采取已知的地震波時(shí)程曲線進(jìn)行地震輸入時(shí)，可能得到的結(jié)果不是十分準(zhǔn)確。

通過國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究，場(chǎng)地所承受的地震波雖然有很大差異，但只要給出合理的地震動(dòng)的幾個(gè)參數(shù)，即這幾個(gè)參數(shù)與地震波相符，那么時(shí)程分析的結(jié)果可以較準(zhǔn)確地反映建筑物在未來(lái)地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，滿足建筑物所需要的安全要求。

4 多點(diǎn)輸入運(yùn)動(dòng)方程的建立

4.1 考慮行波效應(yīng)的多點(diǎn)輸入

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析時(shí)，首先考慮結(jié)構(gòu)的跨度問題，對(duì)于一般結(jié)構(gòu)，我們可以假設(shè)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)各處作用相同的運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于將地基視為剛體，各支座的運(yùn)動(dòng)完全相同。當(dāng)結(jié)構(gòu)的跨度超過一定的限度，地基的地震波長(zhǎng)小于結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)尺寸時(shí)，行波效應(yīng)的影響就不可以忽略。若地震波的傳播速度是1 600 m/s，對(duì)于一個(gè)頻率為4 Hz的波，波長(zhǎng)則為400 m。對(duì)于本文的體育場(chǎng)館，長(zhǎng)度方向近乎300 m，那么此結(jié)構(gòu)沿長(zhǎng)度方向?qū)⒊惺懿煌牡孛孢\(yùn)動(dòng)。通過考慮地震波的行波效應(yīng)、研究表明，地面不同點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力響應(yīng)有很大的影響。因此，對(duì)于大跨度的結(jié)果，我們需要考慮地震波的多點(diǎn)輸入，研究不同基礎(chǔ)支承處分別作用不同的地震波的地震響應(yīng)分析。

4.2 多點(diǎn)輸入地震響應(yīng)分析運(yùn)動(dòng)方程

對(duì)于一個(gè)有N個(gè)地面支座支承點(diǎn)，n個(gè)自由度的離散線性結(jié)構(gòu)，多點(diǎn)地震激勵(lì)的總響應(yīng)可以由各個(gè)支承點(diǎn)單獨(dú)作用所引起的響應(yīng)疊加求得。在這種情況下，每次計(jì)算只能移動(dòng)一個(gè)地面支座支承點(diǎn)，而其他支承點(diǎn)固定不動(dòng)。結(jié)構(gòu)(包括支承點(diǎn))的運(yùn)動(dòng)方程可表示為如下形式：

4.3 行波效應(yīng)分析

本工程屋蓋總跨度未超過400 m，但亦達(dá)到近300 m，為保證建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的可靠性，采取多點(diǎn)激勵(lì)法時(shí)程分析方法進(jìn)行計(jì)算分析，并且列出所取關(guān)鍵點(diǎn)的位移和力的峰值(如圖1～圖10所示)。

截面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 截面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果 kN

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要從幾個(gè)方面進(jìn)行了分析和總結(jié)，包括結(jié)構(gòu)多點(diǎn)抗震的研究現(xiàn)狀和方法，地震動(dòng)輸入與調(diào)整、多點(diǎn)地震動(dòng)方程的建立三個(gè)方面，在理論分析的基礎(chǔ)上，通過對(duì)考慮行波效應(yīng)的結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移的比較，得到一些有益的結(jié)論：行波效應(yīng)對(duì)大懸挑預(yù)應(yīng)力大跨度結(jié)構(gòu)的影響顯著。行波效應(yīng)的存在使結(jié)構(gòu)內(nèi)力反應(yīng)加大，考慮行波效應(yīng)后，結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力都有很大程度改變，提高的幅度較大。

[1] 馬克儉，肖建春.貴陽(yáng)奧體中心體育場(chǎng)挑蓬預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)建議[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，37(4):1-5.

[2] 馬克儉，李曉紅，韋明輝，等.預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系的研究與應(yīng)用前景[J].空間結(jié)構(gòu)，1994，1(2):1-10.

Research on multi-point ground motion of pre-stressed large-span space structures★

Liu Jinfang Xiao Jianchun Wang Shu

(GuizhouNationalitiesUniversity,Guiyang550025,China)

This paper briefly introduced the composition and its advantages of large span space structure, introduced the research status and method of structure multi-point seismic, and from the seismic wave selection and adjust, multi-point input motion equation establishment etc., analyzed the influence of earthquake ground motion to structure, obtained some beneficial conclusions, for reference.

structure, ground motion, seismic wave, traveling wave effect

1009-6825(2015)30-0044-03

2015-08-11★：貴州民族大學(xué)科研基金資助項(xiàng)目

劉金芳(1986- )，女，碩士，講師

TU352

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