钢框架结构拟动力模型试验与原型对比的研究

2016-08-09 07:09刘彩玲

浙江建筑 2016年7期

刘彩玲，刘　杰

(1.杨凌职业技术学院建筑工程学院，陕西杨凌 712100;2.西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065)

刘彩玲1，刘杰2

(1.杨凌职业技术学院建筑工程学院，陕西杨凌 712100;2.西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065)

摘要：以2层钢框架结构为模型，进行了模型设计制作和拟动力试验，并且采用有限元分析软件SAP2000分别对原型结构和模型结构进行了地震动力响应分析。根据模型结构的拟动力试验结果，按照动力相似关系推算出原型结构的地震反应，并将其与原型结构的实际计算值进行比较。通过对比分析自振频率、加速度、位移和基底剪力，验证了模型与原型的相似关系。研究结果说明，可以通过模型的拟动力试验结果对原型结构进行抗震性能评估。

关键词：钢框架结构；拟动力试验；原型结构；模型结构；相似关系

结构动力模型试验是研究结构地震破坏机理和评价结构整体抗震性能的重要方法之一，如何正确处理结构试验模型与原型的相似关系，以及如何由模型反应正确推导原型结构的反应是非常关键的问题。本文以2层钢框架结构拟动力试验为例，分析研究模型和原型结构的相似关系。采用有限元软件SAP2000建立计算模型，分析其在地震波作用下的地震反应，按照结构动力相似关系，由模型结构的地震反应结果推算原型的地震反应，并将模型理论推算值与原型实际计算值进行比较，研究原型结构的地震动力响应，从而验证结构的动力相似关系。

1动力相似关系

根据结构动力模型设计的相似理论，模型与原型需要满足以下四方面的相似关系:即几何尺寸相似、应力-应变关系相似、质量和重力相似以及初始条件和边界条件相似。在本次结构动力模型试验设计中，确定几何相似系数为SL=Lm/Lp=1/3,弹性模量相似系数为SE=Em/Ep=1(其中S代表相似比，角标p表示原型，m表示模型)，再根据量纲分析法和动力方程法导出其他各物理量的相似关系式和相似系数[1-3]，见表1。

2拟动力模型试验

该试验在西安建筑科技大学土木工程防灾国家重点实验室内的MTS拟动力试验系统上进行[4]。

2.1模型制作

本次拟动力试验模型为两层、单跨、单开间，跨度和开间均为2.0m，首层楼面标高为1.05m，2层楼面标高为2.05m，楼面现浇50mm厚C25钢筋混凝土楼板，上下两层之间钢柱用高强螺栓连接。柱子安装在高400mm的钢筋混凝土条形基础上。梁和柱都采用宽翼缘热轧H型钢HW100×100×6×8。底层柱脚和梁柱节点均为刚接，主次梁之间为铰接[5-7]。模型照片见图1。

图1　结构试验模型照片

2.2测试装置

试验中在柱底、柱顶、横梁以及节点处对称布置电阻应变片，在底层楼面和顶层楼面分别布置MTS的Temposonic磁制位移传感器，以量测楼层水平位移并用于反馈控制。

2.3加载方案

在进行拟动力试验之前，首先通过对模型加载，测定模型结构的初始刚度，测定的方法是在每个拟动力试验工况前做一个周期的反复加载，根据实测的反力、位移即可得到结构的初始刚度。本次试验实施时分别输入加速度峰值不同的ElCentro地震波，用以测得结构的地震反应。加载时按所选择的地震波及相应的加速度峰值由小到大依次输入的ElCentro波加速度峰值分别为35、70、140gal。

3有限元建模

为了对钢框架结构拟动力试验模型和原型进行对比研究，验证结构模型试验的动力相似关系，需建立原型结构的有限元模型，来和模型试验值进行对比分析。因此，本文采用大型有限元分析软件SAP2000对原型结构建立有限元分析模型。本模型为两层、单跨、单开间，跨度和开间均为6.0m，层高为3.0m，楼面为150mm厚C25钢筋混凝土楼板，梁与柱刚接。材料依然采用Q235钢材。梁柱都采用HW300×300×10×15的宽翼缘H型钢[8]。

4原型与模型结构动力响应比较

采用大型有限元分析软件SAP2000对该结构进行有限元动力分析，分析时输入ElCentro波，将波的加速度峰值调至相当于7度多遇的加速度值，即a=35gal，原型结构计算分析时间为10s，时间步长为0.02s，地震波输入方向为X方向。本文仅分析在ElCentro波作用下原型与模型的动力特性和动力响应。

4.1自振频率比较

表2为原型结构和模型的各阶频率比较。根据模型结构的试验结果，按相似关系推算出原型的自振频率，并将模型的理论推算值与原型结构的实际计算值进行比较，两者的误差分别为0.93%、0.45%、0.32%均小于1%，这说明可以通过模型结构的拟动力试验结果来研究原型结构的自振特性。