高耸钢结构PUSHOVER分析.pdf

第3 7卷第 6期 2 0 1 1 年 1 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 3 5 高耸钢结构 P U S H O V E R分析 何文滔 ， 徐忠根 ， 黄正元 1 ． 广州广船国际股份有限公司， 广东 广州5 1 0 3 8 0 ； 2 ． 广州大学土木工程学院， 广东 广州5 1 0 0 0 6 摘要 对深圳愿望塔模型结构进行了在7度小、 中、 大震作用下的振动台试验分析、 动力时程数值分析、 P u s h o v e r 数值分析， 并将地震反应结果进行对比分析 ， 对深圳愿望塔进行深人的抗震性能分析， 通过对比分析验证 P u s h o v e r 分析的可靠性。从各 种分析曲线形状可知， 三种分析方法的分析曲线的总体形状是相近的， 说明从宏观上看 ， 用此三种分析方法分别对结构进行 抗震性能分析所得出的相应分析结果基本一致 ； 另外， P u s h o v e r 数值分析的结果与其他两者相比， 较为保守。 关键词 静力弹塑性分析； 高阶振型； 时程分析； P u s h o v e r 分析； 高耸钢结构 ； 抗震性能 中图分类号 T U 9 7 3 ． 1 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 1 9 3 3 2 0 1 1 0 6 0 3 5 0 3 PUSHOVER a n a l y s i s o f h i g h- r i s e s t e e l s t r u c t ur e HE W e n t a o ， XU Zh o n g g e n ， HUANG Zh e n y u a n 1 ． G u a n g z h o u S h i p y a r d I n t e r n a t i o n a l C o ． ， L t d ． ， G u a n g z h o u 5 1 0 3 8 0， C h i n a ； 2 ． C o H e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， G u a n g z h o u U n i v e r s i t y ， G u a n g z h o u 5 1 0 0 0 6 ， C h i n a Ab s t r a c t A s h a k i n g t a b l e t e s t o f S h e n z h e n Wi l l i n g T o w e r i s i n t r o d u c e d ． T h e n i t s d y n a mi c t i me h i s t o r y n u me ri c a l a n aly s i s ， P u s h o v e r n u me r i c a l a n a l y s i s a r e c o mp a r e d ． By t h e s e c u r v e s ， w e c a n s e e t h a t t h e o v e r a c u r v e s h a p e o f t h e t h r e e a n a l y s i s me t h o d s a r e c l o s e， S O g e n e r a l s p e a k i n g， t h e c o r r e s p o n d i n g s e i s mi c b e h a v i o r a n a l y s i s r e s u l t s u s i n g t h e s e t h r e e me t h od s a r e c o n s i s t e n t g e n e r a l l y ． I n a d d i t i o n， t h e r e s u l t s o f P u s h o v e r a n aly s i s a r e mo r e c o n s e r v a t i v e t h a n t h e o t h e r t w o ． Ke y wo r d s P u s h o v e r a n a l y s i s ；h i g h o r d e r v i b r a t i o n mode ；t i me h i s t o r y a n aly s i s ；P u s h o v e r a n a l y s i s ；h i g h r i s e s t e e l s t r u c t u r e ； s e i s mi c p e rf o r ma n c e 0 引 言 地震是一种 自然灾害 ， 严重时会危及人类 的生 命和财产安全。因此， 建立安全、 经济和可靠的工程 结构抗震设计 ， 是结构工程长期面临的一个挑战。 P u s h o v e r 分析方法作为基 于性 能／ 位 移的抗震 设计 的重 要 工具⋯ ， 具 有 很强 的适 用 性 ， 深 入 对 P u s h o v e r 分析方法的理论 和应用研究 ， 具有十分重 要的科学理论意义和 良好的工程应用前景。钢结构 具有很多 突 出优点 J ， 现在越 来越 受到 人们 的青 睐， 深化对钢结构抗震性能 的研究是很有 现实意义 和发展前景的。 1 工程概 况 位于深圳市大梅沙的愿望塔 由基座服务层 、 塔 身、 观光与许愿层三部分组成， 塔高 8 1 m， 塔身层高 收稿 日期 2 0 1 0 -0 3 - 3 0 作者简介 何文滔 1 9 8 2一 ， 男， 广东韶关人 ， 硕士， 工程师， 结构设 计师， 主要从事结构设计。 E ma l l h e we n t a o ma n 1 6 3． c o rn 以2 ． 4 1T I 为主， 顶部的观景层层高为 3 ． 2 r n ， 设备层 层高为4 ． 8 I ll ， 许愿层层高为4 ． 4 m 。塔身全部由碳 素钢材焊接而成 ， 塔尖材料为不锈钢和玻璃幕墙， 如 图 1所示。 图 1 塔模型 F i g ． 1 M o d e l o f t h e t o we r 3 6 四川建筑科学研究 第 3 7卷 1 ． 1 试验分析模型 该振动台试验采用 1 1 5的混合相似模型模拟 方案 ， 模 型设计时 ， 原结构中的 1 6 M n钢及 1 6 Mn复 合不锈钢均采用 A 3钢。采用一条场地人工地震波 和两条真实强震记录波 E 1 C e n t r o波、 T a f t 波 进行 试验分析， 水平加速度峰值按相似系数放大， 持续时 间按相似系数压缩 。 1 ． 2 数值分析模型 为了与愿望塔振动 台试验结果更好地进行 比 较， 本文用有限元通用分析软件 S A P 2 0 0 0以 1 1 5 的比例建立深圳愿望塔结构数值分析模型， 所用材 料、 人工配重都与该塔的试验分析模型相 同。柱和 梁采用 f r a m e 杆件模拟， 杆与杆之间刚接。楼层采 用 s h e l l 单元， 质量平均分布在楼层平面上， 塑性铰 布置在杆端。柱采用包含非线性弯曲变形、 弹性剪 切和弹性轴向变形功能的框架柱单元， 梁考虑为带 线弹性剪切变形的受弯梁单元。 2结构动力特性对 比分析 为了更好地将振动台试验分析、 动力时程数值 分析 、 P u s h o v e r 数值分析的结果进行对 比， 各分析数 据取各种地震波或各种侧 向力加载方式作用下结构 反应的平均值。 表 1 模型 X向自振频率和周期 Ta b l e 1 Na t u r a l f r e qu e n c i e s a n d p e r i o d s a l o n g X- d i r e c t i o n o ft h em od e l 表 2 模型 l ， 向 自振频 率和周期 Ta b l e 2 Na t u r al f r e q u e n c i e s a n d p e r i o d s a l o n g Y - d i r e c t i o n oft h e m od e l 通过模态分析， 可得到不 同强度地震作用后模 型 向和 】 ， 向的 自振频率及振 型。综合各 种分析 方法的结果可知 1 在小震、 中震作用下 ， 结构 的 自振频率变化 不大 ， 说明结构的抗震性能良好 ； 2 大震后模型刚度 已减弱 ， 模型结构 已经处于 非弹性阶段 ， 结构已处于屈服状态； 3 三种分析方法结果得 出的数据相差不 大， 特 别是两种数值分析的结果更为吻合。分析其原因 有 数值分析所用的有限元模型都为同一个模型 ， 而 试验模型则与数值模型有一定的实际差异； 另外， 该 愿望塔结构的抗震性能较好 ， 经过各种强度 的地震 作用之后 ， 结构的性能未受到大的破坏 。 3 向地震反应对 比分析 为了更好地将三种分析的结果进行对 比， 各分 析数据取各种地震波或各种侧向力加载方式作用下 结构反应的平均值。 3 ． 1 相对位移曲线对比分析 各种强度地震作用后结构的相对位移曲线如图 2所示 。 2 0 1 l N o ． 6 何文滔， 等 高耸钢结构 P U S H O V E R分析 3 7 0 3 6 9 相对位 移 ， mi ll a 小震作用下相对位移曲线 0 5 1 0 l 5 2 O 2 5 相对位移， mm 中震作用下相对位移曲线 分析 分析 0 9 I 8 27 3 6 45 相对位移， mm c 大震作用下相对位移曲线 图 2 X向 7度地震作用后相对位移 曲线对 比 Fi g ． 2 Co mp a r i s o n o f r e l a t i v e d i s p l a c e me n t c u r v e s i n X d i r e c t i o n u n d e r e x c i t a t i o n o f i n t e n s i t y 7 s e i s mi c 通过 图2分析可知 1 总体上看 ， 模型 的相对位 移曲线较为平整 ， 未出现剧变， 说明模型总体刚度相对较为均匀； 2 模型在 5 0 ． 5 5 ／ 1 5～ 5 8 ． 6 ／ 1 5 m高度范围内， 相对位移 曲线出现反折 ， 说 明此段模 型结构刚度相 对较大 ； 3 模型在 5 8 ． 6 ／ 1 5～ 8 1 ． 0 5 ／ 1 5 m高度范围内， 相对位移增 长较快 ， 说 明此 段模 型结 构 刚度相对 较小 ； 4 模型的振动台试验分析和动力时程数值分 析的曲线比较吻合， 而 P u s h o v e r 数值分析的相对位 移曲线与前两者有较大差异， 其反应较大， 说明 P u s h o v e r 数值分析的结果与其他两者相 比较为 保守。 3 ． 2层间位移角 曲线对 比分析 各种强度地震作用后结构的层间位移角曲线如 图3所示。 分析 分析 0 0 ． 0 Ol 0． 0 02 O 0 ． 0 0 2 O ． O O 4 0 0 ． 0 0 4 0． 0 08 层间位移角 ／ r a d 层问位移角／ r a d 层间位移角／ r a d a 小震作用下层间位移角曲线 b 中震作用下层间位移角曲线 c 大震作用下层间位移角曲线 图 3 向 7度地震作用后层 间位移角 曲线对 比 Fi g ． 3 Compa Hs o n of dr i f t a ng l e c u rv e s i n X d i r e ct i o n unde r e x c i t a tio n o f i nt e ns i t y 7 s e i s mi c 通过图表分析可知 1 模型最大层 间位移角为 0 ． 0 0 2 6 2 6 ， 满足规范 所规定 的最大层间位移角要求 ； 2 模型在 0～1 2 ． 1 ／ 1 5 m高度范 围内， 模型 的 层 间位移角曲线 出现剧变， 说 明此段模型结构刚度 相对较小 ， 应加强 ； 3 模型在 1 2 ． 1 ／ 1 5 ～ 5 8 ． 6 ／ 1 5 m高度范围内， 层 间位移角逐 渐减小 ， 说 明此段 模型 结构 刚度逐 渐 提高； 4 模型在 5 8 ． 6 ／ 1 58 1 ． 0 5 ／ 1 5 m高度范 围内， 层间位移角迅速变大 ， 说明此段模型结构刚度迅速 变小 ； 5 模型的振动台试验分析和动力时程数值分 析的曲线比较吻合， 而 P u s h o v e r 数值分析的相对位 移曲线 与前两 者 有较 大差 异， 其反 应较 大， 说 明 P u s h o v e r 数值分 析的结果与其他两者相比较 为 保守。 4 结 语 本文将愿望塔模型结构在 7 度小、 中、 大震作用 下的振动台试验分析、 动力时程数值分析、 P u s h o v e r 下转第 6 5页 6 5 4 3 2 l O g、 恒 6 5 4 3 2 l 0 g、 愠 6 5 4 3 2 1 0 E、 惺 程忻 J w时分 一 一 数试 一 一 三 ／＼一 一 撕 _1 鲥蚴 一 l {『i 八 J 一 6 5 4 3 2 1 O E、 惶 谢新颖， 等 预应力混凝土索梁结构体系理论与试验研究 6 5 坏 以前 ， 随着荷载的增加 ， 位移变化基本保持线性。 当加载到 6级荷载的时候 ， 位移发生突变。由于构 件变形过大， 无法再继续加载， 此时荷载为 1 9 5 k N， 最终卸荷。索的布置情况决定整个模型的受力机 理。预应力混凝土索梁结构体系从整体人手进行考 虑， 由于索的布置较少， 所以， 整个体系属于受弯构 件， 开裂的位置首先在跨中出现 。 图 l 3 索的荷载一 应变关系 Fi g ． 1 3 P 。 c u r v e f o r s p e c i me n o f c a b l e 表 1 位移 和索测点 位置数据 Ta b l e 1 T h e d a t a o f d i s p l a c e m e n t a n d c a b l e a r r a n g e me n t P／ k N 、 O 1 ． 5 2 2． 6 3． 1 4． 1 5． 4 5． 6 6． 5 。位 移 7 O 2 3 8 2 6 2 2 9 4 3 O 6 3 4 4 3 8 6 4 3 2 4 6 4 位移位移位移索 1 索 2 5 6 7 3 4 ⋯⋯ O O O O 0 8 6 一l o 2 2 4 1 2 l 2 71 I 1 6 4 8 2 1 0 5 1 3 5 1 7 7 2 5 7 6 1 3 5 2 1 2 2 51 6 1 1 3 1 5 5 1 9 7 3 O 6 1 1 6 1 3 1 6 4 5 7 6 1 2 5 2 1 3 2 61 3 1 1 3 1 6 4 O 1 6 6 5 7 9 1 31 2 2 0 2 6 9 3 2 1 0 1 6 8 8 1 6 5 5 8 0 1 41． - 2 3 5 - 28 4 3 3 8 5 1 7 7 6 1 72 5 8 9 1 5 8 2 5 9 3 1 l 4 0 8 3 2 1 5 0 2 1 7 6 5 4 1 7 9 ． 3 4 1 ． 3 8 9 41 5 7 2 1 8 5 2 1 5 6 51 l 91 3 4 9 3 9 6 4 结论 预应力混凝土索梁结构体系从整体人手进行考 虑， 从裂缝的开展情况可以看出， 开裂的位置首先在 跨中出现， 整个体系属于受弯构件， 整体的受力形势 与破坏形态与有限元软件分析完全相符。 索 的使用可增大建筑结构 的跨度。通过试验可 以看出， 预应力混凝土索梁结构体系的承载力很大， 索梁 比普通的钢筋混凝土梁 自重轻 、 造价低、 施工时 间短， 能适用更大的跨度， 具有很好的工程实用 价值。 参 考 文 献 [ 1 ] 薛守义． 有限单元法[ M ] ． 北京 中国建筑工业出版社， 2 0 0 5 2 3 4-3 2 6． [ 2 ] 过镇海． 钢筋混凝土原理[ M] ． 北京 清华大学出版社， 1 9 9 9 2 5 4-26 7， 1 3 4 1 3 5 ． [ 3 ] 王传志， 滕志明． 钢筋混凝土结构理论[ M] ． j E 京 中国建筑工 业出版社 ， 1 9 8 5 1 9 - 3 1 ． [ 4 ] 陆新征， 江见鲸． 用 A N S Y S S o l i d 6 5单元分析混凝土组合构件 复杂应力[ J ] ． 建筑结构， 2 0 0 3 3 3 2 2 - 2 4 ． [ 5 ] 张新培． 钢筋混凝土抗震结构非线性分析[ M] ． 北京 清华大 学出版社。 2 0 0 3 1 - 2 9 ． [ 6 ] 董丽欣． 现浇混凝土空心板截孔板带受剪承载力试验研究 [ R] ． 黑龙江 哈尔滨工 业大学 ， 2 0 0 5 3 2 - 3 5 ． 上接 第 3 7页 数值分析的地震反应结果 进行 了对 比分析， 可以得 出以下结论 1 模型结构在 7度小、 中地震作用下基本处 于 弹性状态 ， 在大地震作用下 ， 结构开始进入弹塑性 ； 2 模型结构在 7度小、 中、 大地震作用下 ， 其最 大相对位移、 层间位移 、 层间位移角均满足规范的要 求 ， 说 明模型结构在 7度大地震作用下是安全的， 且 具有 良好的抗震性能； 3 从各种曲线形状可知 ， 总体上看结构的刚度 是相对比较均匀的， 但在模型顶部 、 底部地震反应较 大， 可对该部位进行加强 ； 4 模型的振动台试验分析和动力时程数值分 析的曲线比较吻合， 而 P u s h o v e r 数值分析的相对位 移曲线与前两者有较大差异， 其反应较大， 说明 P u s h o v e r 数值分析 的结果与其他两者相比， 较为 保守 。 参 考 文 献 [ 1 ] A p p l i e d T e c h n o l o g y C o u n c il ． A T C - 4 0 ． S e i s m i c e v a l u a t i o n a n d l e t - r o fl t o f c o n c r e t e b u i l d i n g s ． R e d w o o d C i ty [ s ] ． U S A ， V o l 1 ， 1 9 9 6 ． [ 2 ] 陈绍蕃． 钢结构稳定设计指南[ M] ． 北京 中国建筑工业出版 社 ， 1 9 9 6 ． [ 3 ] G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 建筑抗震设计规范[ S ] ． [ 4 ] G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3钢结构设计规范[ s ] ． 【 5 ] 吴素静． P u s h o v e r 分析及时程分析在实际结构工程中的应用与 研究[ D ] ． 西安 西安建筑科技大学， 2 0 0 3 ． [ 6 ] 钱稼茹， 罗文斌． 静力弹塑性分析 一 基于性能／ 位移抗震设计 的分析工具[ J ] ． 建筑结构， 2 0 0 0 6 ． O 0 0 0 O 0 加 珈铷 枷 锄 i