陳 穎

(福州外語(yǔ)外貿(mào)學(xué)院 理工學(xué)院，福建 福州 350202)

0 引言

本文提出基于阻尼耗能支撐模型的建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性檢測(cè)方法，首先建立建筑鋼結(jié)構(gòu)的支撐有限元模擬分析模型，然后采用阻尼耗能支撐結(jié)構(gòu)特征分析方法進(jìn)行建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性的量化評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性檢測(cè)。

1 建筑鋼結(jié)構(gòu)的支撐有限元模擬

1.1 地震波的轉(zhuǎn)移狀態(tài)

首先建立建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性自動(dòng)檢測(cè)的主要物理參量聯(lián)合分布模型，模型中不僅需要考慮地震動(dòng)時(shí)長(zhǎng)T，單位為s，還需考慮在地面震動(dòng)情況下，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)φ 的變化情況:

利用物理參量聯(lián)合分布模型建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性檢測(cè)的模型特征匹配，使用一個(gè)非線性微分方程yi(t)對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性的特征進(jìn)行檢測(cè)，則建筑鋼結(jié)構(gòu)的抗震預(yù)應(yīng)力分配，滿足:

式中，ti表示相應(yīng)周期。其中，在自復(fù)位阻尼耗能支撐約束條件下，得到建筑結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定特征表達(dá)式為:

式中，zi是阻尼耗能支撐分布形態(tài)特征量，β 為載荷分離特征量。采用地震波輸出振動(dòng)特征測(cè)試方法［4］，得到地震波的轉(zhuǎn)移狀態(tài)方程為:

經(jīng)上述得到地震波的轉(zhuǎn)移狀態(tài)，通過(guò)式(4)的計(jì)算，可得到地震波的傳播速度，通過(guò)分析傳播速度結(jié)果，可為建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性試驗(yàn)提供理論數(shù)值，便于后續(xù)的計(jì)算和分析。

(1)位置較淺，表面僅有一層粘膜覆蓋，呈淺藍(lán)淺紫色，半透明，突出粘膜表面，大小一般為黃豆至櫻桃大小，質(zhì)地軟有彈性，破泡流出似蛋清樣液體；

1.2 建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性評(píng)估

結(jié)合阻尼力和耗散地震輸入能量進(jìn)行建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震的量化評(píng)估，建立建筑鋼結(jié)構(gòu)的自恢復(fù)耗能支撐模型［5－6］，其表達(dá)式為:

式中，ηi為阻尼耗能支撐作用下的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量;Zx為阻尼支撐的材料粘滯系數(shù);gi為阻尼力和耗散地震輸入能量的關(guān)聯(lián)度。其中，關(guān)聯(lián)度的計(jì)算公式為:

式中，aBi為模型材料的關(guān)聯(lián)系數(shù)，bBi為設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，cBi為構(gòu)造措施的關(guān)聯(lián)系數(shù)，Δ 為震中距。在裝配整體式模型結(jié)構(gòu)中，在彈性階段和塑性階段前期，建筑結(jié)構(gòu)體的屈服強(qiáng)度為de，連梁角部形成細(xì)微斜裂縫條件下，測(cè)試地震作用下鋼結(jié)構(gòu)震動(dòng)頻率fe，則該結(jié)構(gòu)塑性指數(shù)系數(shù)為:

式中，N(x)表示地震強(qiáng)度，M(x)為抗震應(yīng)力的屈服響應(yīng)特征分布。

在不同頻率的下降幅度一致的情況下，建筑結(jié)構(gòu)的彈塑性位移為:

隨著輸入地震波加速度峰值，得到地震穩(wěn)定性檢測(cè)的特征分量為:

利用特征分量對(duì)鋼結(jié)構(gòu)不同參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性檢測(cè)的參數(shù)評(píng)估。

2 建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性檢測(cè)優(yōu)化

2.1 建筑鋼結(jié)構(gòu)的自恢復(fù)耗能支撐模型

在折線彈性模型和彈塑性滯回模型共同約束下，采用阻尼耗能支撐結(jié)構(gòu)特征分析方法進(jìn)行建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性的量化評(píng)價(jià)［7－9］，抗震承載內(nèi)力分布表示為:

式中，B(x)表示建筑鋼結(jié)構(gòu)的自恢復(fù)耗能支撐的聯(lián)合特征分布，整體式結(jié)構(gòu)的最大樓層剪力為:

式中，ξ ∈［－ 1，1］，表示地震波次序，在統(tǒng)計(jì)特征量約束下，地震作用為非線性分布，鋼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)控制方程為:

式中，ub表示最大傾覆力矩，cs表示截面彈性內(nèi)力增量，kb表示在彈性階段裝配整體式結(jié)構(gòu)的荷載。

預(yù)先設(shè)定地震作用下建筑鋼結(jié)構(gòu)的屈服響應(yīng)，輸出應(yīng)力載荷隨輸入地震波次序而逐漸增大，得到自恢復(fù)耗能支撐模型為:

式中，ρ 表示地震作用下建筑鋼結(jié)構(gòu)的自恢復(fù)耗能支撐力，xi為裝配整體式結(jié)構(gòu)的最大層間位移。在折線彈性模型和彈塑性滯回模型共同約束下，根據(jù)輸出應(yīng)力載荷進(jìn)行建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性的量化評(píng)價(jià)。

2.2 建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性檢測(cè)

分別計(jì)算阻尼耗能支撐的復(fù)位力和耗能參數(shù)，實(shí)現(xiàn)建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性檢測(cè)，得到第n+1、n 步迭代條件下建筑結(jié)構(gòu)的模型應(yīng)變?cè)隽繛?

在集中荷載作用下建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性狀態(tài)量x0，x0={φ0，φ·0，θ0}，地震波作用下建筑底層的傾覆力矩為:

由于地震波作用下的響應(yīng)量值不同，根據(jù)建筑底層的傾覆力矩［10］，得到建筑阻尼耗能支撐模型的復(fù)位力和耗能參數(shù)為:

利用上述參數(shù)進(jìn)行建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性檢測(cè)，得到穩(wěn)定性檢測(cè)模型，該模型輸出為:

利用上式實(shí)現(xiàn)建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性檢測(cè)，為檢驗(yàn)本文方法的有效性及可行性，需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

3.1 工程概況

為了測(cè)試本文方法在建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性檢測(cè)中的應(yīng)用性能，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。假設(shè)輸入地震波的強(qiáng)度為250MPa，曲線形狀參數(shù)為1.24，建筑鋼結(jié)構(gòu)的彈性模量Es=23.45×106psi，恢復(fù)力荷載撓度為0.43，谷值撓度為2.45，結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表1。

表1 建筑鋼結(jié)構(gòu)的參數(shù)描述Tab．1 Parameter description of Building Steel structure

實(shí)驗(yàn)對(duì)象采用高為11.4 m，樓層為3 層，頂寬度為30 m，占地面面積326.32m2，塑性指數(shù)為40，高達(dá)19.6km，的鋼結(jié)構(gòu)建筑，其基本構(gòu)造如圖1 所示。

該房屋所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7 度(0.1g)，基巖地震動(dòng)采用Taft 地震的加速度記錄，地震歷時(shí)取為13s。對(duì)該實(shí)驗(yàn)建筑分別采用微震、中震及加強(qiáng)和強(qiáng)震進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)上述參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性檢測(cè)，上述建筑鋼結(jié)構(gòu)的布設(shè)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖1 房屋外觀構(gòu)造Fig．1 Structure of the house appearance

圖2 建筑鋼結(jié)構(gòu)布設(shè)結(jié)構(gòu)Fig．2 Layout of building steel structure

實(shí)驗(yàn)選用地震毀壞危險(xiǎn)性的辦法，驗(yàn)證所提方法對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的抗震穩(wěn)定性檢測(cè)的有效性。分別采用文獻(xiàn)［2］方法、文獻(xiàn)［3］方法和本文方法對(duì)某鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，3 種方法對(duì)比結(jié)果如圖3 所示。

圖3 建筑鋼結(jié)構(gòu)最大殘余變形檢測(cè)結(jié)果Fig．3 Test results of maximum residual deformation of building steel structure

分析圖3 得知，采用本文方法能有效實(shí)現(xiàn)建筑鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)，且其最大殘余變形檢測(cè)的準(zhǔn)確性較高，即對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性參數(shù)評(píng)估的精度較高，具有很好的抗震穩(wěn)定性檢測(cè)能力，在建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震防災(zāi)中具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法的可行性，采用3 種方法分別為對(duì)該鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震預(yù)應(yīng)力進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖4 所示。鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)基本為發(fā)生地震時(shí)受壓所致。圖4 中，Nλ表示第一主應(yīng)力;c 代表直線截距。通過(guò)該式獲取不同地震強(qiáng)度下鋼結(jié)構(gòu)建筑的第一主應(yīng)力大小，并將獲取結(jié)果以折線圖形式展現(xiàn)。

圖4 抗震預(yù)應(yīng)力分析Fig．4 First principal stress analysis diagram

圖5 抗震預(yù)應(yīng)力分析Fig．5 First principal stress analysis diagram

分析圖5 可知，所提方法采用的地震荷載較為細(xì)致，能夠真實(shí)地反映出鋼結(jié)構(gòu)在受地震時(shí)的波動(dòng)過(guò)程，更能精確明細(xì)地反映出鋼結(jié)構(gòu)建筑的動(dòng)態(tài)受力過(guò)程。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性分析，構(gòu)建建筑結(jié)構(gòu)抗震安全監(jiān)測(cè)模型。本文提出基于阻尼耗能支撐模型的建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性檢測(cè)方法。通過(guò)分析地震波的轉(zhuǎn)移狀態(tài)，進(jìn)行建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性評(píng)估，利用評(píng)估得到的參數(shù)構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)的自恢復(fù)耗能支撐模型，在檢測(cè)建筑鋼結(jié)構(gòu)的最大殘余變形時(shí)，考慮了阻尼耗能支撐模型的復(fù)位力和耗能參數(shù)，以提升檢測(cè)精度，實(shí)現(xiàn)建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性檢測(cè)。本文分析得知，采用本文方法進(jìn)行建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性檢測(cè)的準(zhǔn)確性較高，參數(shù)評(píng)估的精度較好，具有很好的抗震穩(wěn)定性檢測(cè)能力和工程應(yīng)用價(jià)值。