长悬臂钢结构桁架极限地震下破坏模式优化

张 旭 红

(太原理工大学建筑与土木工程学院，山西 太原 030024)

0 引言

某高铁客运站候车大厅主体结构屋盖采用多柱长悬臂钢结构桁架，该结构以每根钢柱及其长悬臂为一个受力单元，按照悬臂端连接的方式组合而成结构体系。由于结构体系新颖，功能重要，投资巨大，因此结构在罕遇地震下的防倒塌设计十分重要。本文对结构输入符合场地特征的极限地震波进行弹塑性时程分析，以结构破坏过程中的弹塑性变形耗能性能为指标，对其破坏模式进行了优化。所谓极限地震是指对结构足以造成严重的地震。结构在极限地震下的破坏模式对结构的常规设计具有明确的参考价值。

1 多柱长悬臂钢结构桁架屋盖结构特征

单柱长悬臂钢结构桁架屋盖单侧悬臂长度28 m，多柱组合后柱间跨度为56 m。单柱受力单元平面如图1所示。该结构所有杆件为焊接方形截面，杆件之间为相贯节点连接，结构中典型节点如图2所示。根据常规设计结果，单柱悬臂端与根部杆件平均应力比为0.62，极差0.08，表明原设计各部位构件应力比在常规设计工况下较为均匀。

2 极限地震波选取与材料本构关系

极限地震波合理选取对结构弹塑性时程分析结果影响巨大。选择符合Ⅲ类场地的竖向地震波作为极限巨震输入，并调整振幅使结构达到严重破坏，峰值加速度8 000 mm/s2，见图3。

钢材本构关系采用三折线弹塑性模型，Q235和Q345两种钢材的本构关系如图4所示，弹性模量为206 GPa，泊松比0.3，钢材密度7 850 kg/m3。

本文应用ABAQUS有限元分析软件进行建模，该软件建模方便，能够较好的模拟钢材的性质。ABAQUS软件具有非常强大的求解非线性问题及大型复杂问题的能力，能够较为准确的对结构进行弹塑性时程分析。根据结构特点，采用B32梁单元来模拟各类型钢和钢管。

3 极限地震作用下破坏模式优化

将所选极限地震波输入结构模型，弹塑性动力时程分析结果表明：破坏主要集中在柱两侧悬臂根部各三个节间内的构件上，如图5，图6所示。这表明结构在极限地震下为整体垮塌的破坏模式。分析原因发现，虽然原设计各部位构件应力比在常规设计工况下较为均匀，但由于悬臂根部集中有较多质量，故破坏集中在了悬臂根部。为使结构在极限地震下破坏部位离开悬臂根部而转移至悬臂端部，从而有效保护悬臂根部构件在极限地震作用下的安全，修改悬臂端构件应力比平均值，使其提高到0.75，悬臂根部构件应力比均值下降至0.55，整体结构应力比极差修正为0.15。

由图7可知，多柱连接部位的悬臂端部构件应力比提高后，结构在极限地震作用下，结构破坏部位由悬臂根部三个节间转移到了悬臂端部的四个节间；由图8可知，优化后的结构比优化前的结构弹塑性变形耗能增大了20%，表明结构在极限地震下的破坏模式得到了明显优化，从而避免了结构在极限地震下的整体垮塌。

4 结语

为避免多柱长悬臂钢结构桁架屋盖在极限地震下的整体垮塌破坏，应保护立柱与悬臂根部构件的安全。通过弱化多柱连接的悬臂端部的构件，提高其平均应力比，使其在极限地震中能够较早地进入塑性阶段，吸收大多地震能量，破坏有效地保护了立柱与悬臂根部构件的安全。本文方法对多柱长悬臂钢结构桁架屋盖的常规设计提供了有益的参考价值。

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