大跨度组合梁与预应力砼梁地震响应对比研究

张 妤， 周 安

(1.安徽工业职业技术学院 资源开发系， 安徽 铜陵 244000；2.合肥工业大学 土木建筑工程学院， 安徽 合肥 230009)

大跨度组合梁与预应力砼梁地震响应对比研究

张 妤1， 周 安2

(1.安徽工业职业技术学院 资源开发系， 安徽 铜陵 244000；2.合肥工业大学 土木建筑工程学院， 安徽 合肥 230009)

选择相同跨度的组合梁与预应力梁工程实例，通过计算机仿真软件模拟分析两者在同一地震波作用下的地震响应时程曲线，对比研究两者的抗震性能。

大跨度； 钢-混凝土叠合板组合梁； 预应力混凝土梁； 地震响应

0 引 言

近年来,越来越多的公共建筑在大空间方面要求提高,梁的跨度也因为抽柱而越来越大。钢-混凝土叠合板组合梁和预应力混凝土梁是目前国内大跨度梁较常见的做法。其中，钢-混凝土叠合板组合梁有效地利用钢材抗拉和混凝土抗压的材料特性，承载力高，施工简便。而预应力混凝土组合梁具有改善结构性能、抗裂性好，提高构件刚度和耐久性的优点。在地震区采用大跨度梁，对于梁体抗震性能的了解是非常重要的。文中在国内选择35 m跨度的组合梁和预应力梁工程实例，通过计算机仿真模拟，分析比较两者的地震响应时程曲线。

1 组合梁地震响应分析

1.1组合梁工程概况[1]

珠海清华科技园一期创业大楼,建筑平面呈矩形，长141 m，宽30.2 m，高48.2 m，十一层。一层至九层为东、西两座独立楼体，十层以上连接大梁的跨度为35 m，原设计采用钢骨混凝土梁，考虑到大体积混凝土的温度效应及有效控制裂缝宽度的要求，后期改为钢-混凝土叠合板组合梁方案，取得较好的经济效益。其截面如图1所示。

图1 钢-混凝土叠合板组合梁截面详图

1.2组合梁地震响应计算

针对工程实例的叠合板组合梁模型，采用有限元程序ANSYS进行模拟分析。为节省计算机耗时，仿真分析采用半跨组合梁模型尺寸分析。其中，混凝土翼板采用SOLID65单元，钢梁采用SHELL43单元，混凝土翼板和钢梁之间连接件的纵向抗剪作用采用COMBINE39单元模拟[2-3]。

组合梁地震响应分析采用动力学计算的瞬态分析方法。选择频谱比丰富的El-centrol双向地震波作为组合梁的激励[4]，其加速度最大幅值分别为3.12 m/s2和1.82 m/s2。地震波通过惯性载荷输入给模型。本例计算前12 s的地震响应,加载时，将每秒划分为50个子步，子步的时间间隔为0.02 s，共计600步。假定组合梁在初始时刻保持静定状态，初始位移和初始速度为零。通过循环语句设定，在每一步求解结束后自动进入下一个子步。重复以上步骤，直至所有12 s全部求解完毕。

1.3响应计算结果分析[5]

1.3.1 跨中水平位移时程曲线结果分析

分析组合梁在El-centrol地震波作用下的时程曲线，以跨中水平位移值作为研究对象。分别提取跨中上、中、下三点水平位移的时程曲线如图2所示。

(a) 翼板上表面的水平位移时程曲线

(b) 翼板与钢梁交界面处的水平位移时程曲线

(c) 钢梁下表面的水平位移时程曲线

分析图2的时程曲线数据，组合梁水平位移数值大小随El-centrol地震波加速度变化而变化，最大侧向位移值均出现在第二秒左右。其中，跨中上表面向左的最大侧向位移为55.806 mm，向右的最大侧向位移为60.151 mm(图2(a))；组合梁翼缘和钢梁交界面处向左最大侧向位移为58.405 mm，向右最大侧向位移为-62.444 mm(图2(b))；钢梁跨中下表面位移向左最大侧向位移为96.164 mm，向右最大侧向位移为-94.762 mm(图2(c))。由于建模时认为上下截面交界处在水平和竖直方向的位移耦合，因此混凝土下表面和钢梁上表面的水平位移相同。

比较混凝土翼板和钢梁的侧向位移最大值，可以发现钢梁的侧向位移值远大于混凝土翼板的侧向位移值，几乎是混凝土翼板侧向水平位移值的两倍。究其原因，主要是由于混凝土翼板尺寸较宽，可以获得较大的侧向刚度，而下端钢梁的翼缘宽度仅400 mm，腹板厚度仅25 mm，无法获得较大的侧向刚度，导致其在水平地震作用下位移很大。另一方面，混凝土翼板较好的侧向刚度也为钢梁提供辅助的侧向支撑，可以间接减少钢梁的侧向位移。

1.3.2 跨中竖向位移时程曲线结果分析

在竖向地震波作用下，组合梁的竖向位移时程曲线如图3所示。

图3 组合梁跨中竖向位移时程曲线

分析图3所示组合梁竖向挠度时程曲线，挠度值保持在8 mm上下波动2 mm，8 mm的竖向位移值是由重力加速度作用下组合梁的原始挠度，因为重力加速度不随时间改变，因此组合梁自重引起的竖向挠度在时程曲线中保持不变(8 mm左右)，2 mm的挠度波动值则是由El-centro地震波引起的竖向位移值。比较自重下的挠度值和地震作用下组合梁的挠度波动值可见，对于大跨度钢-混凝土组合梁，由地震作用引发的竖向挠度可以忽略不计。究其原因是因为地震作用,对梁体产生地震激励主要取决于其自身的质量，因此，它的质量越大，地震作用也越大。钢-混凝土组合梁能够在较小的自重下具有较高的刚度，使其在地震作用下承受的惯性力非常小，因而其位移时程曲线数值也很小。由于其竖向刚度非常大，竖向地震作用引起的位移非常小。

2 组合梁地震响应分析

2.1预应力混凝土梁工程概况

安徽合肥某大型体育场馆(内有夹层)由于功能要求，室内必须采用大空间，因而柱距较大，最大跨度达到35 m。为避免钢结构后期防锈、防火等维护困难，多方比较后采用现浇预应力混凝土结构，35 m跨预应力后张法混凝土梁，截面高2 400 mm，宽600 mm，曲线预应力钢筋，截面图如图4所示。

(a) 梁支座截面详图 (b) 梁跨中截面详图

2.2预应力混凝土梁地震响应分析

对该35 m跨的预应力混凝土梁输入Alcentro地震波，利用计算机仿真软件生成地震作用下的水平位移时程曲线和竖向位移时程曲线如图5所示。

(a) 水平位移时程曲线 (b) 竖向位移时程曲线

从图中可见，该预应力混凝土梁的跨中水平位移最大值为34.06 mm，跨中竖向位移最大值为2.592 mm，都远远小于规范要求的位移限值。比较钢-混凝土组合梁和预应力混凝土梁的时程曲线可知：

1)水平地震时程曲线对比：钢-混凝土叠合板组合梁的水平位移大于预应力混凝土梁的水平位移，尤其是组合梁下部钢梁的水平位移较大，主要是由于钢梁的水平刚度相对较弱，需要依赖混凝土提供侧向刚度抵抗水平地震作用。

2)竖向地震时程曲线对比：在地震作用下，钢-混凝土叠合板组合梁与预应力混凝土梁的竖向地震效应均远小于水平地震作用的地震效应，两者的竖向位移值大致相当。

预应力混凝土梁在跨度比较大时，承受的荷载以自重为主，为了满足承载力的需求，需要的截面尺寸比较大，使结构的刚度随之增大，地震作用对梁体的影响相对于自重要小很多。

3 时程曲线数据分析与结论

综合分析以上数据，可以得出如下结论：

1)钢-混凝土叠合板组合梁与预应力混凝土梁的地震效应均远小于规范规定的位移限制。主要原因是组合梁充分利用自身材料特性，节省材料；预应力混凝土梁采用高强钢筋与混凝土，降低自重，在相同的地震激励下，二者的地震惯性力较小。

2)对于刚度较大的大跨度梁体，地震作用的影响相对于重力作用来说可以不考虑。

[1] 范旭红,石启印,马波.钢-混凝土组合梁的研究与展望[J].江苏大学学报:自然科学版,2004,25(1):89-92.

[2] 汤伟,严国忠,戚卫东.大跨度预应力梁后张法施工技术[J].浙江建筑，2007,24(9):81-82.

[3] 聂建国,余志武.钢-混凝土组合梁在我国的研究与应用[J].土木工程学报,1999,32(2):3-8.

[4] 李香,李伟,陈淑清,等.移动荷载作用下梁式结构耦合振动[J].长春工业大学学报:自然科学版，2013,34(5):525-528.

[5] 徐鹤山.ANSYS在建筑工程中的应用[M].北京:机械工业出版社,2005.

[6] Bathe K J. Nunerical methods in finite element analysis[M].New Jersey: Englewood Cliffs,1996.

[7] 邱文亮，张哲，黄才良.钢-混凝土组合梁双层梁有限元分析方法[J].大连理工大学学报，2003，43(1)：101-103.

[8] 张妤,周安.大跨度钢-混凝土组合梁的地震响应[J].中华建设，2012，84(5):222-223.

Comparison of seismic responses between long span composite beam and prestressed concrete beam

ZHANG Yu1， ZHOU An2

(1.Resources Development Department, Anhui Industry Polytechnic, Tongling 244000, China；2.School of Civil Engineering, Hefei Tniversity of Technology, Hefei 230009, China)

Taking both the composite beams and prestressed girder with same span as examples, seismic time-history response curves under the same seismic wave are recorded by means of computer simulation. The seismic performances are compared.

large span； steel and concrete composite beams； prestressed concrete beams； the earthquake response.

2014-07-23

张 妤(1978-)，女，汉族，吉林松原人，安徽工业职业技术学院讲师，硕士，主要从事建筑工程组合结构抗震分析、建筑工程技术专业教育研究,E-mail:99018561@qq.com.

TU 378.2

A

1674-1374(2014)06-0735-04