地震动多点输入作用下大跨结构的动力响应分析.pdf

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IX)I：10．3969／j．issn．1672—4011．2013．04．019地震动多点输入作用下大跨结构的动力响应分析葛英华(中煤科工集团武汉设计研究院，湖北武汉430064)摘要：对于大跨空间结构，地震动空间变化的影响不容忽视，本文撂讨了大垮结构多点地震波榆入的鲞本理论，包括多点地震输入的分析方法、动力方程的建立与求解；对大跨结构建立有限元模型，选取合适的地震波，进行了非一致输入的地震时程分析，并与一致输入下的结构响应进行了对比分析，得到了结构在非一致输入下的响应特点等方面的结论，为工程应用提供了参考。关键词：地震动；多点输入；大跨结构；动力响应中图分类号：TU352．1文献标志码：B文章编号：1672—401l{2013)04—0045—020前言对于大跨度的空问结构，支承点间距较大，地面运动空间变化对结构的抗震性能的影响必然成为工程中急需解决的问题⋯。现行的抗震设计方法是对一般结构采用反应谱法求解地震作用，而对一些重要的结构则需要选择几条典型的地震记录做为地震输入，用数值方法求出结构的动力响应。反应谱方法把地震作用的计算与结构的固有频率结合起来，计算方法简单快捷，动力时程法更全面地考虑了结构的动力特性，可以模拟结构在地震动时的响应，同时也使得结构的弹塑性分析和非线性分析成为可能。然而以上的抗震分析方法并非与实际情况完全一致，他们都假定了结构各支点具有相同的地震动输入。这个假定对于一般平面尺寸较小的房屋建筑物是可以接受的，但是对于平面尺寸较大的结构物，忽略地面运动的空间变化可能会给结构的动力分析带来较大误差。1地震动空间效应地震时地面运动是一个复杂的时间一空间过程悼J，以往的抗震设计研究往往把注意力集中在地震动的时变特性上，而对地震动的空间变化特性考虑较少。地震时，从震源释放的能量以地震波的形式传到地表面并引起地面震动，对于平面尺寸较大的结构，各支点的地震动是不相同的，这一点已被许多强震观测记录所证实。地震动空间变化的产生原因有：①各支点的距离与地震波的波长在同一数量级，地震波到达各支点的时间不同，各支点间地震动产生了时间滞后(相位差)；②由于地球介质的不均匀性，地震波在介质中的反射和折射，使地震波在其传播方向的不同位置上叠加方式不同，由此产生各支点处地震动的频散损失；③各支点的局部土层不同，使由基岩到地表的地震波中各作者简介：葛美牟(1978一)，男，山东日熙人，本科，工程师，主要研究方向：建筑结构设计。种频率成分的含量不同。多点输入就是在地震动输入中考虑地震动的空间变化特性，是一种更加合理的输入方式，是抗震设计理论的一次阶段性跨跃，也是地震工程学发展的必然趋势。2多点输入动力方程多点激励下结构的运动方程H1的原理是把结构反应的总位移分为拟静态位移与动力相对位移之和。对于大跨结构，在绝对坐标系下，把结构内部节点和支承节点区别开来，其运动方程可以用分块的形式表示为：【象瓮】{至)+【乏乏】{量)+【乏乏】{至)={≥】(1)式中，置、五和五分别表示地震激励下桥梁结构非支座节点的位移、速度和加速度向量；五、五和五分别表示地震激励下桥梁各地面支座节点的强迫位移、速度和加速度向量；F‘表示地震动作用于网架结构各地面支座节点的力。展开公式(1)第一行得到：MIXl+c。Xl+K。XI=一M‘xI—C击xl—K^xb02)将结构支座节点位移五分解成解成拟静态位移¨和动力相对位移圪两部分，即鼢鼬{孑)(3)式中，拟静态位移E可以通过令(1)式中所有动力项为零求得如下：yl=一瓦“瓦五(4)将式(3)代入式(2)得：虬L+乞L+瓦L=一帆E—c-L—E虼一心邑一q五一蚝无(5)将式(4)代入式(5)得：虬匕+Q匕+毛匕=一帆yI—qE一批五一亿五(6)在c-，式中用{孑批替{耋)，可得到：虬L+C。匕+瓦K=一帆y．一帆五(7)将式(4)代入式(7)可得：jILyj+C0匕+^0圪=一(jIL口+^气)五(8)式中，a=一瓦一j0称为拟静模态矩阵；膨j为结构内部节点对地面支座节点的质量贡献：瓦为结构内部节点对支座节点自由度的贡献。对于集中质量矩阵，令jI屯=0，这样 (8)式就变成了：虬L+C。K+疋圪=一帆诚(9)这就是多点激励下结构地震反应的基本运动方程。把(9)式写成如下统一形式：MY(t)+Cy(t)+KY(t)=一MaXb(t)(10)肘Y(t)+CY(t)+KY(I)=一MaXu，(t)(11)对于大跨度网架结构，由于行波效应的影响¨】，结构各支座所受到的地震激励是不一样的。在利用时程分析法进行地震反应分析时，把同一个地面运动加速度记录在不同地面支座节点处以一定的时间差输入，作为式(10)右端五．(t)，就可以考虑行波效应的影响。3分析方法通过对一致地震动输入与多点地震动输入时大跨结构的动力响应分析比较，可以看出，在一致输入时，大跨空间结构的表面应力集中在内部，考虑多点输入时，应力逐渐向周围支座处传播。在多点输入地震作用下，受拟静力位移影响较大的区域均主要集中于支座附近，拟静力位移影响从支座到跨中不断减弱。随着视波速的增大，多点输入的影响减小。当考虑地震动场随时间和空间变化的多点激励时哺]，图1结构模型图结构的地震反应分析方法分为两大类：一类是以地震地面5结诊运动为确定过程的确定性分析方法，主要包括时程分析法一“和反应谱法；另一类是以地震地面运动为随机过程的概率本文通过对大跨结构进行一致输入和多点输入下的地性分析方法，指随机振动法。震反应分析的结果对比，可以得出对大跨空间结构进行抗时程分析法能精确考虑结构与基础之间的相互作用、震分析时，有必要考虑多点输入时的动力响应情况作为设地震的行波效应等因素，还可考虑结构的物理和几何非线计指导；拟静力位移对大跨空间结构的影响不能忽略，通性、以及各种隔震装置非线性性质。由时程分析法可得到过大量的有限元分析，得到不同参数情况下动力响应情况，各质点随时问变化的位移、速度和加速度动力反应，并进可为工程设计提供参考依据，同时也验证了能量法计算方而可计算构件内力的时程变化过程。法的有效性。在多点输入下结构杆件的绝对位移较一致输地震动反应谱是基于一致地震激励下单质点系统的线人时要小，但局部杆件的内力值却可能较一致输入下要大，弹性分析而建立的。由于大跨结构较强的空间耦合效应以即危险杆件的数量增加，需要引起设计师的注意。及地震地面运动的时空变化特征难以模拟等因素，反应谱[m：000433]法有时会产生的误差很大。▲^★●■随机振动法是建立在地面运动统计特征的基础上，把，’x叭具有统计性质的地震动作用到结构上，然后求出结构体系[I]柯世堂，张令心，赵林．多点输入下大跨空间网格结构地震响随机反应的统计特性，同时其计算的结果可直接确定各反应分析[J]．山东理工大学学报：自然科学版，2010，24(1)：1一应量的最大值及其概率分布。5．[2]沈顺高，张微敬，朱丹，钱稼茹，裴永忠．大跨度机库结构多点4算例哆争析输入地震反应分析[J]．土木工程学报，2008，41(2)：17—21．运用有限元软件Mida8对一大跨结构进行分析，结构口3昙箕蔷言麓冀淼慧篙笔罢鬻献设计基准期为50年，结构设计使用年限为100年。各种恒E4]自学丽，叶继红．大跨空间网格结构在多维多点输入下的简化载、活载均按<建筑结构荷载规范>取值；地震按设防烈度计算方法[J]．空间结构，2008。14(2)：30—37．8度，场地特征周期为O．358；采用EI—Centro波，地震时[5]全伟，李宏男．大跨结构多维多点输入抗震研究进展[J]．防间间隔0．028，持续时间为20s。灾减灾工程学报，2006，26(3)：343—351．(上接第44页)4结论与建议(1)对挥发系数改进后的蚁群算法可以应用到钢管混凝土构件的优化中；(2)实例证明应用改进蚁群算法MATLAB程序进行优化效果较好，达到了节省材料提高经济性的目的，算法可行；(3)本文的研究为今后钢管混凝土结构的设计和研究提供了一定的参考；(4)本文仅是从应用一种智能算法的角度对构件进行优化，广大爱好者们可以尝试采用两种或者多种算法融合后的算法进行研究。[ID：000441]参考文献：[1]王焕林．钢管混凝土的受力特性及其应用中的优缺点[J]．江西化工，2008(4)：330—332．[2]刘永行，杨红曩．钢管混凝土结构的研究与应用[J]．延安大学学报：自然科学版，2009，2s(2)：65—68．[3]WangQin商蛆g，ZhaoDaxhou，Gu蚰Ping．ExperimentalstudyOnthe蛐耐andductilityofsteeltubularcolumnsfilledwithsteel—reidorcedconclvte[J]．EngineeringStructure，2004，26(7)：907—915．[4]王海军，金勇，李兴权，杨玉春．基于遗传算法的钢管混凝土构件的优化[J]．科技信息，2009(7)：14—15．[5]M．Derigo，V．Maniezo，A．Concm．AntSystem：Op蝴onbyaColony《CooperatingAgents[J]．mEETransactions帆Symm丝。Man，andCybernetics，1996，26(1)：29—41．