强震下某平板网架结构动力弹塑性失效分析

张建媛

山西交通职业技术学院（030031）

强震下某平板网架结构动力弹塑性失效分析

张建媛

山西交通职业技术学院（030031）

这里以某兼具地震应急避难所功能的体育馆为研究对象，研究其在强震作用下的损坏形态和机理、极限承载力和延性性能。

大跨网架结构；塑性铰；时程分析；抗震性能

0 引言

由于网架结构较其他空间结构具有整体性强、空间刚度大、节省钢材等独特优点，常作为地震避难所和救灾指挥的场地。但我国对大跨网架结构的抗震性能研究还不全面。因此，研究该类结构强震下的弹塑性失效模态对其抗倒塌性能设计具有防灾减灾意义。

1 模型参数

结构上部正方四角锥网架斜屋面采用屋架上弦自起坡双坡屋面，坡度为5%，网架上弦最低点标高为12 m。网架尺寸为40 m×56 m，网格尺寸为4 m×4 m，最小网格高度为3.5 m。网架边缘下部采用格构式落地，横向柱距12 m，纵向柱距为8 m。采用3d3s软件设计该网架，并根据计算结果选用杆件。

采用SAP2000软件进行结构分析，根据《建筑抗震设计规范》，时程分析时所用地震加速度时程曲线的最大值为：多遇地震70 gal,罕遇地震400 gal。

2 动力弹塑性时程分析

2.1 动力弹塑性时程分析的初始条件

钢结构材料的本构关系假定为双线性随动强化弹塑性材料模型。选用EL波对该结构进行动力弹塑性分析，地震波持续时间取19 s。设计分析时根据《建筑结构荷载规范》考虑恒载0.5 kN/m2和雪载0.35 kN/m2施加于结构，在此初始条件下继续进行动力时程分析。

2.2 塑性铰的定义

为模拟结构进入弹塑性后状态，在SAP2000软件中定义塑性铰。由于网架结构的杆件主要承受轴力，本文用“屈服力和屈服位移”归一化法，定义轴力铰(P铰)的“广义力—广义位移”曲线,参见FEMA356[1]。

2.3 EL波作用下结构的响应分析

本文采用动力增量法对结构进行时程分析。当地震波加速度峰值达到205 gal以前时，结构处于弹性阶段。达到205 gal时，出现第一个塑性铰（BIO），结构开始进入弹塑性阶段；此时结构相对位移上部为26.80 mm，下部为17.33 mm，定义此时屈服位移比均为1。在600 gal时，结构中9.13%的杆件出现塑性铰。在此基础上增加4 gal，结构中塑性铰数量增加到10.05%，其中C-E铰迅速增加到107个。到605 gal时，结构响应处于发散状态，发生强度失效。结构特征节点水平位移-加速度峰值曲线如图1所示。

图1 特征节点水平位移-加速度峰值曲线

该结构在三向地震共同作用下，其弹性临界和弹塑性失效加速度峰值分别为205 gal和604 gal，远大于规范规定的70 gal和400 gal。

根据B-R判断准则[2]，三向地震作用下结构失效是由下部支撑结构、柱头附近网架局部杆件强度破坏和弹塑性动力失效而导致的复杂组合失效。

3 结语

结构在强震下的失效模式是复杂的组合失效。在三向EL地震波作用下，结构达到弹塑性失效极限的地震波加速度峰值为604 gal，大约为8度罕遇地震（0.4 g）的1.5倍，因此该结构可作为抗震设防烈度为8度地区的地震应急避难所。结构达到临界失效点时，延性系数为5.53，可见，结构有较好的变形能力和消耗地震能的能力。

[1]FEMA 356 The Seismic Rehabilitation ofBuildings[S].Federal Emergency Management Agency,2000.

[2]沈士钊,陈昕.网壳结构稳定性[M].科学出版社,1999.