超长混凝土框架弹性侧移地震行波效应研究.pdf
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1、第 3 9卷第 1 期 2 0 1 3年 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 41 超长混凝土框架弹性侧移地震行波效应研究 王 闯, 张新培, 高少波, 敬艳梅 ( 四川大学建筑与环境学院, 四川 成都6 1 0 0 6 5 ) 摘要: 针对目前超长混凝土框架结构行波效应缺乏系统研究的现状, 选取三条典型地震波记录, 借助建筑结构通 用有限元软件 Mi d a s G e n , 采用一致与非一致两种激励方式 , 对长度为3 3 2 6 4 m的三层钢筋混凝土框架结构进行 弹性时程分析。对比一致与非一致激励下的侧移
2、情况 , 详细讨论其随波速、 结构长度以及不同部位的变化规律。 结果表明: 行波效应对侧移的增大作用主要在结构一层 , 尤其是端部, 对二、 三层侧移的减小作用较大; 结构越长 , 侧移的行波效应越明显 ; 地震波波速越大, 侧移的行波效应越不明显。 关键词 : 超长混凝土结构; 侧移; 非一致激励; 行波效应 ; 时程分析 中图分类号: 17 5 3 7 5 4 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 1 1 4 1 0 6 Re s e a r c h o n t h e e l a s t i c s e i s mi c r e s
3、po n s e s o f o v e r l o n g RC f r a me d s i d e s wa y c o n s i d e r i n g t r a v e l i n g wa v e e ffe c t WANG C h u a n g , Z HAN G Xi n p e i , G AO S h a o b o , J I NG Ya n me i ( C o l l e g e o f A r c h i t e c t u r e a n d E n v i r o n m e n t , S i e h u a n U n i v e r s i t y
4、 , C h e n g d u 6 1 0 0 6 5 , C h i n a ) Ab s t r a c t : As r e s e a r c h e s o n t r a v e li n g w a v e e ff e c t o n o v e d o n g c o n c ret e s t r u c t u r e s a r e l a c k i n g , wi t h t h r e e s e i s mi c w a v e s , t h e g e n e r al- u s e d fi n i t e e l e me n t S O f t w
5、 a r e Mi d a s G e n f o r a r e h i t e c t u r a l s t r u c t u r e a n d t h e me t h o d s o f u n i foi l n e x c i t a t i o n a n d n o n - u n i f o r m e x c i t a t i o n a r e a p p l i e d t o a n a l y z e ti me h i s t o r y r e s p o n s e s o f t h r e e - s t o r e y r e i n f o r
6、 c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s wi t h 3 32 64 - me t e r i n l e n g t h B a s e d o n t h e c o n t r a s t b e t we e n t h e s i d e s wa y v a l u e s i n u n i f o r m e x c i t a t i o n a n d t h o s e i n n o n uni f o rm e x c i t a t i o n, t h e r e l a t i o n s h i p s bet w
7、e e n s i d e s wa y a n d w a v e v e l o c i t y , s i d e s wa y and s t r u c t u r e l e n gth, s i d e s wa y a n d p o s i t i o n a r e d i s c u s s e d i n d e t a i l s T h e res u l t s s h o w t h a t :t h e t r a v e li n g wa v e e ff e c t o n s i d e s wa y i s ma i n l y o n t h e
8、fi rst fl o o r , e s p e c i a l l y a t t h e t i p s ; t h e l o n g e r t h e s t r u c t u re i s , t h e mo re p r o mi n e n t t h e t r a v e l i n g w a v e e ff e c t wi l l be ; t h e g r e a t e r t h e w a v e v e l o c i t y i s , t h e mo r e p r o mi n e n t the t r a v e li n g wa v
9、 e e ff e c t wi ll b e Ke y wo r d s: o v e d o n g c o n c ret e s t r u c t u re; s i d e s w a y; n o n u n i f o rm e x c i t a ti o n; t r a v e l i n g w a v e e ff e c t ; t i me - h i s t o r y analy s i s 0 引 言 钢筋混凝土超长结构是指结构的长度超过规范 规定 的设置结构缝最大长度而不设置任何形式永久 性结构缝的结构。该类结构 目前已经广泛应用, 若 干研究人员已对其地
10、震行波效应进行了一定的研 究。目 前的研究主要集中在对结构内力地震行波效 应方面, 侧移的行波效应研究较少。 文献 1 对上海浦东机场( 二期) 候机楼工程进 行 了地震行波效应分析 , 讨论 了柱 和钢屋面 内力及 钢屋面的顶点侧移的行波效应。对顶点侧移的结论 是: 地震行波效应总体呈减小顶点侧移的趋势, 顶点 侧移行波反应最大值与一致输入反应最大值的比值 为0 9 8 左右, 比值较大的位置为角节点和边节点, 收稿 日期 : 2 0 1 1 - 0 6 - 2 3 作者简介 : 王闯 ( 1 9 8 8一), 男 , 硕 士研究 生, 主要 从事工 程结构 抗 震研究。 E ma i l
11、: t h e c a l l o f n a t u r e t o m c o m 其最大值为1 0 2 。 文献 2 对国家体育场进行了地震波多点激励 下的地震反应时程分析, 在其椭圆平面的长短轴方 向( 分别记为 、 Y向) , 通过分析多点激励时屋面柱 顶顶点侧移和屋盖 中间环梁的侧移 , 得出结论为: 地 震波 向激励时, 与一致激励相 比, 柱顶的 向顶点 侧移变化很大、 增减幅度范围为 - 4 0 一 2 0 , 增减 幅度较大的点各位于短轴的一端; 中部环梁的 向 侧移稍有减小, 在短轴的一端减小了 1 5 左右; y向 的柱顶顶点侧移和环梁的侧移增大较多的点均位于 长轴两端
12、位置, 最大分别为0 2 5 m和0 1 5 m( 一致 激励时这些位置几乎没有 Y向侧移) 。地震波 Y向 激励时, 与一致激励相比, 柱顶和环梁在 Y 向的侧移 几乎没有变化; 向的柱顶顶点侧移和环梁的侧移 分别最多增大了0 1 0 m和0 0 7 m左右, 增幅分别 为 1 0 0 和 2 1 5 。 综上所言, 目前的探索主要针对某个具体的工 程结构而言, 对行波效应影响超长结构侧移的规律 性的系统研究较少。鉴于此, 本文基于结构有限元 1 4 2 四川建筑科学研究 第 3 9卷 分析软件 M i d a s G e n , 选取三条典型地震波记录, 采 用一致和非一致激励 的方式 ,
13、 对长度 3 32 6 4 m的 三层钢筋混凝土框架进行弹性时程分析 。通过 比较 分析结构在不同激励下 的侧移 , 总结侧移行波效应 的规律 , 以供设计人员参考 。 1 计算模型及原理 1 1 计算模型 本文结构模型为矩形平面的三层超长框架结 构, 层高均为4 2 m, 其平面布置如图 1 所示。考虑 到基础埋深对底层框架柱计算长度的影响, 在计算 时取底层框架计算长度为 5 6 m, 模型开间均为6 6 m, 进深为 7 8 m。根据模型开间和进深距离及结构 受荷情况 , 选用框架柱截面尺寸为 b h= 4 5 0 m m 4 5 0 mm, 纵 向框架梁截面尺寸 为 bh=2 5 0
14、m m 6 5 0 m m, 横向框架梁截面尺寸为 6 h= 3 0 0 m m 7 0 0 m m, 次梁截面尺寸为 bh= 2 5 0 mm5 0 0 mm。 梁、 板、 柱的混凝土均采用 C 3 0强度等级。 框架抗震等级为三级 , 场地类型为 类 , 设计地 震分组为第一组, 地震烈度为 7度( 0 1 g ) , 结构阻 尼 比为 0 0 5, 结构重要性系数为 1 0 。依 照地震 曲 线输入时频谱特性、 有效峰值和持续时间的要求以 及场地类别和设计地震分组, 选定 T a f t 波、 J a m e s 波 及合成一条人工波。在保留了实际地震记录特征的 基础上, 将加速度峰值调
15、整至3 5 c m s , 持续时间取 为 2 0 S 。本文主要研究工况为只有地震作用时同层 各柱上下两端沿结构长度方 向( 方 向) 的相对侧 移, 下文所述正侧移为图中向右侧移。 图 1 模型的结构平面布置 F i g 1 Th e s t r u c t u r e l a y o u t o f c a l c u l a t i o n mo d e l 1 2研 究原理 时程分析时, 运用有限元分析软件 M i d a s G e n , 楼板考虑为弹性。综合结构长度( 3 3 m、 6 6 m、 1 3 2 m、 2 6 4 m) 、 波速 ( 1 6 5 m s 、 3 3
16、0 m s 、 6 6 0 m s 、 1 1 0 0 r n s ) 、 地震波 ( T a f t 波、 J a m e s 波及人工波 )和激励 方式( 一致与非一致) 对各模型进行对 比分析。非 一 致激励侧移与一致激励侧移的比值即 值( 见式 ( 1 ) ) , 代表了结构在非一致激励时各点的侧移最大 值是相应的一致激励时的倍数。取三条地震波计算 结果的平均值进行分析。 非一致激励下框架层间位移值 , T 一 一 致激励下框架层间位移值 不同结构长度选取分析的柱点在轴线上均匀分 布, 文中B 1 表示第一层轴线上号柱, B 9表示 轴线上号柱, 以此类推。 轴上的点和轴上的点的侧移随
17、长度变化和 波速变化而变化的规律基本一致, 仅有量上的区别。 本文为了能够说明规律, 同时减小篇幅, 故仅选择讨 论中轴轴上的各点的侧移变化规律。表 1 为各取 值点与结构模型对应关系。 表 1 结构侧移取值点对应 Ta b l e 1 Th e me a s u r i n g p o i n t c o r r e s po n d e n c e t a b l e 结构 编号 3 3 m B1 6 6 m B1 1 3 2 m B1 2 6 4 m B1 现编号 a B 2 B3 B 4 B 5 B 6 B 3 B5 B7 B 9 B1 1 B 5 B 9 B1 3 B1 7 B2 1
18、 B 9 B1 7 B2 5 B 3 3 B 41 b c d e f 2 侧移行波效应分析 结构左右完全对称, 从右向左与从左向右激励 的地震响应也对称。此外, 计算结果显示, 同一结构 在相同激励下各点的正侧移的 最值和负侧移的7 最值变化规律恰好相反。限于篇 幅, 仅列 出从左 向 右的情况下正侧移 最值进行比较分析。 图2 所示为 值随地震波速变化的趋势图。 由图2 可见, 4 种结构长度下, y值在波速较小 时都偏离 1 0 0 较多, 即与一致激励差别较大; 随波 速增大, 值最后都趋近于 1 0 0 。由此可见: 波速越 王 闯, 等 : 超长混凝土框架弹性侧移地震行波效应研究
19、1 4 3 小, 行波效应越明显; 波速越大, 行波效应越不明显。 一 层各点曲线差异较大, 二、 三层变化规律相似, 同 趔1 屠 0 0 1 65 33 0 6 60 l 1 0 o 波 ( m s ) f a - 1 ) 3 3 m一层 1 0 屠 0 层各点曲线基本重合, 一层与二、 三层变化趋势有较 大差别 。 l 6 5 3 3 0 66 0 儿 0 O 波速 ( m s ) f a -2 ) 6 6 m一层 ( a ) 一层 1 6 5 3 3 0 6 60 1 1 00 波ff d( m s ) r a - 3 ) 1 3 2 m一层 1 65 33 0 6 6 0 1 1 o
20、 0 波 ( m s ) a - 4 ) 2 6 4 m一层 波ff d( m s 1 f b - 1 ) 3 3 m二层 波速 f rn , s 1 r b - 2 ) 6 6 m 二层 ( b ) 二层 波ff d ( m s ) r b 一 3 ) 1 3 2 m 二 层 波 _ ( m s 1 -4 ) 2 6 4 m 二层 l 6 5 3 3 U 66 0 lI U 0 1 6 5 3 3 o 66 u l l U U J O ) j jU O b U l I O U l O) jj u 0 O u l I l J U ff d ( m s ) ff d( m s ) 3 ( m s
21、 ) ff d ( m s ) ( c - 1 ) 3 3 m -N ( c 2 ) 6 6 m三层 ( c - 3 ) 1 3 2 m三层( c - 4 ) 2 6 4 m三层 ( c ) 三层 图2 7值与波速的关系 F i g 2 T h e r e l a t i o n s h i p o f v a l u ey v e r s u s wa v e v e l o c i t y 结构的第一层: 3 3 m结构中, a , b 点的 值曲线 线都是先下降后上升, 拐点在 3 3 0 m s 为最小值, a 随波速增大先上升后下降, 拐点在 3 3 0 m s , 取得最 点和e
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