双向张拉索-混凝土结构的抗震分析

张振宇，秦乃兵，刘俊英

(河北联合大学建筑工程学院，河北唐山 063009)

0 引言

随着国家建筑技术水平的提升，大跨度结构将越来越受青睐，索-混凝土组合结构［1］作为一种新型杂交结构，可以使得不同材料充分发挥其各自的优异特性。随着改革开放取得成功，建筑领域迅猛发展，促成了更多大跨结构的建成。目前，国内外研究较多的结构多为拉索拱结构，索承网壳结构等，且多为单向张弦梁结构［2］，其抗侧性与稳定性都远远不及双向张弦梁结构［3］［4］强。对双向张拉索-混凝土组合结构的研究更是少之又少。因此，考虑到这类结构比较柔，且阻尼比小，以及在建筑结构中的重要性和破坏带来的经济损失和社会影响，搞清结构的振动特性，避免强振作用下影响到结构的正常使用及安全;对结构进行系统研究，搞清结构的动力特性，研究适合分析方法及建造技术是非常具有现实意义的。

1 索-混凝土组合结构的地震反应模型简介

为更好的研究双向张拉索-混凝土组合结构的抗震性能，模型的各项参数保持不变，将地震波输入到一两层两跨的双向张拉索-混凝土组合结构进行研究，深入了解其抗震特性。建好的ANSYS模型如下图1。

图1 双向张拉索-混凝土结构模型

2 索-混凝土组合结构的地震反应分析过程

利用ANSYS软件对结构进行时程分析［5-7］的一般步骤:

1)建立模型，施加约束条件;

2)在ANSYS工作目录下，建立地震波数据文本文件，注意数据格式要一致;

3)读取地震波;

4)选择分析类型，设置分析选项;

5)求解;

时间历程分析过程为多时间段求解问题，故需要编制一命令流语句，通过导入命令语言，对结构进行求解。命令流语言如下:

6)查看结果。

3 索-混凝土组合结构的地震反应结果分析

3.1 模型节点编号

将所分析的结构沿X方向输入天津波、美国EL-Centro波，通过对结构进行整体分析，将相对称或是受力特点相类似的节点取其一半进行研究，故选取了如下图所示的20个节点分析在上述三种地震波下的响应［8］［9］。为更清晰的反应实际情况，便于分析，将该模型的20个节点进行编号，如图2所示。

图2 索-混凝土结构框架模型示意图

3.2 节点的应力反应

1)天津波作用下节点应力反应

将具有不同特性的几类节点应用到模型中，在X方向输入天津波。通过分析对比各类节点在X，Y，Z三方向的应力反应各不相同，各类节点的最大应力反应如图3。

图3 天津地震波作用下节点应力反应

由图3可知，一、二层节点应力变化基本趋于一致，初始时刻应力反应较小，随时间变化，应力逐渐增长，达到峰值后，又逐渐减小，最后趋近于零。节点1和2、5和6、11和12、13和14、17和18、19和20在0.7 s前后变化剧烈，达到峰值，节点3和4、7和8、15和16在1.3 s达到峰值，节点9和10因在角点位置，在0.3s就已达到峰值。索的应力反应最大，达96MPa。总体来看，不会造成混凝土破坏，节点处于安全状态。

2)美国EL-Centro波作用下节点应力反应

将具有不同特性的几类节点应用到模型中，在X方向输入美国EL-Centro波。通过分析对比各类节点在X，Y，Z三方向的应力反应各不相同，各类节点的最大应力反应如图4。

图4 EL-Centro地震波作用下节点应力反应

由图4可知，一、二层节点应力变化基本趋于一致，初始时刻应力反应较小，随时间变化，应力逐渐增长，达到峰值后，又逐渐减小，最后趋近于零。节点1和2、3和4、5和6、9和10、19和20在1.0 s前后变化剧烈，达到峰值，节点11和12、13和14、15和16、17和18在1.3 s达到峰值，跨中节点7和8在0.6 s就已达到峰值。索的应力反应最大，达110MPa。总体来看，不会造成混凝土破坏，节点处于安全状态。

根据该结构选取的十组共20个节点在二种不同地震波作用下的应力时程曲线可以看出:

(1)整体结构所有节点的时程曲线都呈现衰减趋势。

(2)整体结构除索位置节点外，二层的节点应力反应大于一层相应位置的节点应力反应。

(3)由节点5和6的3组应力时程曲线可以看出，索单元的应力变化较大，最大时可达120MPa，最小时却接近于0，因此索在地震作用下，会发生较大的变形，在工程应用中应注意索的松弛现象。

4 结论

根据索-混凝土组合结构的受力性能和其构造特点，地震波选用典型的天津波、美国EL-Centro波，利用时间历程分析法，对结构进行了地震作用下的响应分析。通过以上时间历程曲线，可以看出:

1)结构的十类节点在天津波、美国EL-Centro波二类地震波作用下的应力反应不同，由于梁的跨度较大，混凝土梁跨中附近的反应较大。

2)结构在美国EL-Centro波作用下，所有节点的应力反应较天津波作用下相应位置明显。此时的最大应力都在规范限值要求之内，十类节点都处于安全状态。

3)在不同地震波作用下，索-混凝土组合结构刚度不大，是一种较柔的结构。

索作为一种柔性材料，在不同地震激励下，其应力反应比较大，会发生较大的变形，反应剧烈，不稳定。因此，该结构在实际工程应用中，应注意索的松弛现象。

随着大跨结构的发展，尤其是钢筋混凝土结构运用到大跨度的理论不断深入，双向张拉索-混凝土组合结构与网架和网壳等这些新型组合结构相比，在静力性能上具有优越性，在结构的优化设计方面、动力响应特性、风振分析及施工成形分析的研究有待深化。这些都将直接影响结构的工程经济，同时对工程实践有着很现实的指导意义，对于索-混凝土结构更深入研究，发展及应用有着重要的影响和深远的意义。

［1］沈世钊，徐崇宝.悬索结构设计［M］.北京:中国建筑工业出版社，2006:1-78.

［2］白正仙，刘锡良，李义生.新型空间结构形式－张弦梁结构［J］.空间结构，2001，7(2):33-38.

［3］张毅刚.双向张弦梁结构和空间张弦结构的应用与发展［J］.工业建筑，2009.

［4］高月梅.双向张弦梁的动力响应与抗震性能研究［D］.兰州:兰州理工大学，2007.

［5］刘金姣.张弦梁结构的优化设计和地震反应分析［D］.天津:天津大学，2007.

［6］徐鹤山.ANSYS在建筑工程中的应用［M］.北京:机械工业出版社，2005，7.

［7］徐飚，韩兵.采用时程分析法进行抗震设计［J］.科技论文，2002.

［8］徐常泽.双层弦张弦梁结构的动力特性及动力响应研究［D］.北京:北京工业大学，2007，5.

［9］沈聚敏，周锡元，高小旺，等.抗震工程学［M］.北京:中国建筑工业出版社，2000.