考虑ssi影响的钢管混凝土框架模态分析

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1、第25卷第3期华中科技大学学报(城市科学版)Vo1．25NO．32008年9月J．ofHUST．(UrbanScienceEdition)Sep．2008考虑SSI影响的钢管混凝土框架模态分析姜绍飞，杜权2，吴兆旗(1．福州大学土木学院，福建福州350108；2．沈阳建筑大学土木学院，辽宁沈阳110168)摘要：为了进一步了解土体对其上部结构动力特性的影响，对土体采用弹簧一阻尼单元进行模拟，建立一个四层圆钢管混凝土框架结构在考虑土一结构相互作用(SSD的有限元分析模型。为了比较，建立了相同结构底部刚接的结构体系模型。对两种结构体系的动力特性参数进行了分析比

2、较，发现考虑SSI影响的结构自振频率比底部刚接的自振频率要小，降低的幅度在7．64％13．06％之间；高阶振型变化明显。研究表明，SSI对钢管混凝土框架的动力特性有一定的影响，在其抗震设计和结构损伤检测方面应该进行适当地考虑。关键词：土一结构相互作用：钢管混凝土：模态分析：有限元分析中图分类号：TU398+．2；Tu311．3文献标识码：A文章编号：1672—7037(2008)03—0027．04由于钢管混凝土具有优越的力学性能和先进构。对圆钢管混凝土柱和钢梁采用有限应变梁单的技术指标而得到了日益广泛地应用⋯，人们对钢元(Beam189)模拟，楼板和箱型

3、基础采用板壳单元管混凝土各类构件在静力方面和疲劳方面的性能(She1163)模拟瞄】，土体单元模拟软土地基对结构都做了大量的试验研究与理论分析，但对其整体的作用，采用弹簧一阻尼单~(Combinl4)模拟I4J，抗震性能和动力特性方面的研究相对较少。土与其中钢管混凝土柱相应的组合弹性模量E。可按照其上的结构物作为一个共同工作的整体系统，它统一理论通过含钢率由文献[5】查表求得。结构计在荷载作用下，其界面处的应力和应变有其特定的算简图如图1所示。交联关系，这种交联关系即相互作用(ssD口J。近几年来，考虑SSI对结构动力特性的影响受到了人们的重视，而在实际工

4、程中的房屋桥梁等结构的模态特性参数也确实不同程度地受到地基作用的影响。本文利用有限元ANSYS软件，建立了一个圆钢管混凝土柱一工字形钢梁．混凝土楼板和箱型基础组成的结构体系模型和模拟刚性地基作用的相同框架体系模型，并进行了模态参数分析比较，为该结构体系的抗震设计与健康状态评估提供了依据。图1箱型基础及刚性地基结构模型1有限元模型的确定土弹簧的刚度确定直接影响计算结果的精度，采用Penzien关于桥梁桩土相互作用模型弹簧刚度利用大型有限元软件ANSYS对结构进行建模的确定方法I6J，Penzien通过对半空间理论分析，认．和分析，主要包括选择单元类型、相关参

5、数确定、为Winkler假定是成立的，因此可依据明德林建立模型、划分网格、加载求解和解释结果几个(Mindlin)公式求解单位水平力作用下不同深度步骤。上部结构采用1：10比例进行缩尺，结构底处的桩平面平均位移，继而取倒数即为各土层桩土层高50cm，其他层高为40cm；跨度为68cm，相互作用的弹簧刚度KHi计算公式如式(1)。底部箱基高60cm，长宽均为90cm．结构为对称结收稿日期：2008—01—20作者简介：姜绍飞(1969一)，男，山东青岛人，教授，博士，博导，研究方向为结构健康监测，cejsf@163．com。基金项目：辽宁省优秀人才支持计划(

6、RC一05—16)；辽宁省重点实验室基金(JG．200604)；教育部重点项目(208064)；福建省教育厅重点项目(JA07002)；福州大学引进人才计划(826229)。·28·华中科技大学学报(城市科学版)2008年建模时对模拟刚性地基的结构采用底部四个—警+支座完全约束。对考虑土结构相互作用的结构的箱基四周及底部的土体采用弹簧一阻尼单元进行约2I砌峨+一2l束，弹簧的另一端完全约束。土体采用弹簧一阻尼l)2]，Ibe+~]，l单元进行模拟，这样即可以避免利用实体模拟土体建模时施加接触单元分析所带来的繁琐和误差；同时还可以减少工作量和缩短程序运算时间

7、。3)2]，齑+]+通过计算表明此方法能较好的模拟土体对结构动力特性的影响。厂]]戤II2模态分析结果与比较3+)2+式中，为第i层土的弹性模量；h为第i层土的2．1结构自振频率[7-10】厚度；zi为第i层土中心深度；为桩半径。应用建立的有限元模型进行了两种体系模态本文在此处可将桩平面引申为箱基平面来考分析，表2给出了结构前八阶自振频率的对比结果。虑，曰为箱基础边长的一半。土体弹簧单元的阻尼表2结构前8阶频率的比较比取O．3】。确定模型所需要的参数指标如表1所示，考虑SSI影响的有限元模型见图2。表1模型相关参数指标结构组成单元类型弹性模~-／Pa泊松比

8、密度／kg·m因结构在X，Y方向为对称结构，故两方向的频率理论值基