专业论文 | 一致输入和多点输入下超长钢框架结构动力弹塑性时程分析

作者：陈嘉

在同一次地震中，结构尺度范围内不同点的地震动过程是不同的，这是因为地震波在传播过程中具有行波效应、相干效应和局部场地效应等。当结构尺度较小或采用整体基础时，这种影响较小，通常可按一致激励进行分析。但是随着结构尺度的不断扩大，地震动空间变异性的影响越来越显著。

针对罕遇地震作用，本文采用位移输入模式，对超长钢框架结构建立有限元计算模型，分别采用一致激励输入和多点激励输入方法进行动力弹塑性时程分析。通过数值模拟研究发现，在超长结构中采用多点激励输入计算结构在罕遇地震作用下的响应更合理。

建立有限元分析模型，X向11跨每跨10m，Y向3跨每跨10m。模型共分两层，层高均为4m。X、Y方向次梁三等分主梁。柱、主梁、次梁为钢材Q235，采用理想弹塑性模型，板为混凝土材料C30，采用弹性模型。

在模型X向施加EL-centro地震波，峰值加速度取值为310cm/s2。考虑行波效应影响，分别输入一致位移激励和多点位移激励。

选取Ｘ向最大基底剪力分析，两种位移输入模式下的各基底剪力最大值对比（KN）如表所示。

在多点激励中，选取D1~D4各位置的钢柱顶层顶点分析，在一致激励中，选取结构的一个顶层角部节点S1分析。这5个节点的X向相对柱底的位移时程曲线如图所示。

这说明考虑行波效应时超长结构中竖向构件的侧向位移显著增大。结构中部的边柱是一致激励下角柱峰值的2.5倍，而角柱增大更为明显，是一致激励下角柱峰值的2.5倍。在多点激励中，侧向位移的峰值变化与基底剪力相似，都是先减小再增大。

一致激励下结构顶层角节点的加速度变化幅度大，最大峰值为2405.85mm/s2，多点激励下，顶层节点的峰值加速度由于基底的行波效应而在各个节点间相互影响，楼层位置的加速度相互缓和抵消，从而降低了加速度值。

一致激励输入中，在2分21秒时出现峰值应力，位置在X正向末端的倒数第二排中部柱底，峰值应力为65.23MPa。这说明，整个结构没有进入塑性屈服状态。

多点激励输入中，在1分32秒时出现峰值应力，位置在X正向始端的第二排中部柱底，每个柱子的最大应力均达到235MPa。由以上应力分布可知，多点激励输入在竖向构件产生的内力要远大于一致激励输入。

在弹塑性动力时程分析中，结构耗能主要为阻尼耗能和钢构件塑性耗能，在两种情况下均以阻尼耗能为主，多点激励的阻尼耗能为2045.53MJ，而一致激励的阻尼耗能为561.83MJ，前者比后者多了3.5倍的耗能，多点激励的塑性耗能为101.5KJ。

在1.5s之后，多点输入的阻尼耗能逐渐大于一致激励输入的阻尼耗能。分析原因，主要是由于多点激励输入到结构的能量大于一致激励，结构的动力反应强烈，阻尼耗散的能量大。

通过一致位移输入模型和多点位移输入模型两种情况分析，可以得到如下结论：

第一，在罕遇地震作用下，对超长结构如果仅仅分析总的基底剪力是不准确的，并不能准确且有效描述结构中竖向构件基底剪力的真实情况，在局部上各构件内力计算会偏小，得到的结果偏于不安全。因此需要模拟真实情况考虑多点激励作用，对各个竖向构件按地震波传播方向进行分区设计。

第二，超长结构在一致激励和多点激励两种模式作用下，得到的结构内力及位移变形相差较大，且除顶点加速度以外，其余各项指标均是多点激励输入模式起控制作用。多点激励输入的能量大于一致激励，相应的阻尼耗能大于一致激励，这说明一致激励作用下输入给超长结构的能量小，结构动力反应小。

第三，在计算超长结构罕遇地震作用时，动力弹塑性分析应采用多点输入模式才能较准确地分析结构的动力响应。