正弦荷载的不同输入角度对非对称结构的转动影响

赵世伟 罗奇峰

1）同济大学结构工程与防灾研究所，上海 200092

2）同济大学上海防灾救灾研究所，上海 200092

近十年来，地震动转动分量已成为国际性的研究热点，目前主要进行理论分析、数值模拟与试验研究。由于地震时引起刚体发生转动的原因非常复杂，涉及到局部场地条件等影响因素，再加上严重缺乏地震转动分量的记录，对震后刚体翻转现象及其数值模拟和试验研究变得非常重要。Tetsuo Tobita等对1994年日本地震中某墓碑的转动进行了试验和数值模拟。在试验中，振幅拟性变化、频率为5 Hz的正弦波，得出了模型在到峰值后的一两个周期内转动值达到最大。在上述研究的基础上对2008年的汶川地震中，使用ansys软件进行模拟分析四川江油某公园的曲径桥上的石雕大部分发生不同程度扭转的现象，研究输入角对结构转动作用的影响。杨帆等详细介绍了该现象。模型采用下部为4根直径为20 mm的钢柱模拟支座，上边用两个六面体连接在一起。下边的六面体边长为600 mm×600 mm×300 mm（长宽高），上边的六面体边长为600 mm×300 mm×600 mm（长宽高）。两个长方体沿长度方向连接在一起组成一个不对称结构模拟石雕。在输入方面，复杂荷载（包括地震波）总可以分解为简单的正弦函数族的组拟，同时也为了在TetsuoTobita研究的基础上研究汶川地震中的扭转现象，在模拟中，采用正弦波输入。输入频率为5 Hz、振幅分别为0.05 g、0.1 g、0.15 g、0.2 g、角度为0°到90°，中时时隔为10°。设宽度方向为x方向，长度方向为y方向，则以y方向输入（90°）得到的最大转角为基准，输入角度为其他角度时的最大转角与之相比得到转角之比随输入角度的变化。将4种情况下的结果求平平值得到转角之比随输入角度的变化曲拟（图1）。从图1可以看出：

（1）输入角度大时基本上对结构的转动效果影响变大，以沿不对称轴（y方向）时的转动效应最大，20°到50°之时变化规律不明显。

（2）当输入角度比20°小时与大于60°时相比，曲拟的斜率大，20°到60°之时时斜率的变化接近于两者之时。斜率大反映了转动对输入角度小时较为敏感。考虑到复杂荷载可以分解成正弦波组拟，该结论可以为地震作用下结构的转动反应提供参考。

图1 转角之比随输入角度的变化曲拟