型钢混凝土阀厅中不同支撑形式的Pushover分析

高 湛，杨 超，魏文晖

(1.中南电力设计院有限公司,武汉 430071;2.武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室，武汉 430070)

采用型钢混凝土结构替代全混凝土结构和钢结构，用于阀厅结构的主体结构，可较好的解决现阶段存在的承载力、延性和耐久性等问题。型钢混凝土具备良好的抗曲屈防失稳能力和较好的承载水平，也有不错的耐久性使得其获得广泛的应用[1-3]。在混凝土中增加型钢，提高了纯混凝土结构的抗侧能力，对抵抗地震和风荷载等水平作用提供了较大帮助。

支撑结构是型钢混凝土阀厅结构中重要的组成，支撑的设置可以提高型钢混凝土框架结构的抗侧能力，从而保证阀厅结构在较大的地震作用下的安全。X形和人字形支撑是较为典型的支撑形式[4]，前者刚度较大可以抵抗较大水平荷载，后者则方便仪器设备和车辆通行，实际使用中均有各自的优势。为对比分析两种不同形式支撑的性质及对整体阀厅结构的影响，采用静力非线性Pushover的分析法，研究了不同形式支撑形式下结构的抗倒塌性质。

1 模型的建立和塑性铰的定义

选用实际工程中，某型钢混凝土阀厅结构中具有代表性的一跨为研究对象，采用SAP2000建立了型钢混凝土斜支撑结构的有限元分析模型。建模中采用框架单元来模拟实际结构中的柱、梁和斜撑，并将型钢混凝土斜支撑结构分为人字形和X形两种情形来考虑，模型示意如图1,图2所示。

进行静力非线性的Pushover分析前，需要进行定义塑性铰以进行后期弹塑性分析。和理论分析不同，软件可以直接将塑性铰置于所需要研究的位置，并直接进行定义。对框架结构，可以通过对面—面间的关联作用进行定义，对定义的塑性铰采用离散元方式，而其他未被定义的则依然保持弹性。基于塑性铰与普通铰的差别，塑性铰有一定长度，该长度由设计者自行定义。软件在具体分析中，一般以离散点替代塑性铰的方式进行具体分析。

在具体的塑性铰定义中，还需要考虑N-M曲线进行选择和分析，如图3所示的曲线代表了荷载-位移变形也同时是控制点的代表。如图3所示，其中A点为初始点，B点代表铰屈服点，C点代表铰承载力的损失。B、C点间的IO、LS、CP代表在塑性铰中的不同作用力，与正常使用、极限的破坏和倒塌损毁三个阶段相对应。

利用图3的曲线进行非线性静力分析，其中B为屈服点，B点前的弹性段，塑性铰为刚性的，而C点为承载力的极限点，即满足承载力极限状态，D为残余强度，达到E点则意味着结构完全破坏，无法继续存在。BC和CD之间可由设计者自行设置其斜率。对塑性铰可以利用设计自定义的方式进行。对于框架梁而言，需要分析剪力和弯矩，因此依据弯矩和剪力定义塑性铰；柱受到偏心受压作用，因此定义轴力和弯矩的共同铰；支撑受力相对简单，仅定义轴向力即可。

2 Pushover分析过程

采用软件分析时，需定义分析的动力/静力条件和是否非线性，基于Pushover的定义，选择非线性静力的选项。具体的分析中包含初步的荷载施加的方式，分析过程中的参数的设置和后期求解方式。因进行的弹塑性非线性分析，塑性铰引起的塑性内力重分布在具体分析中需要注意[5,6]。

Pushover 分析通常从施加垂直载荷开始，包括重力载荷和其他附加垂直载荷；水平荷载的加载方式可以采用多种方式，施加时，可以从初始的零应力状态开始，也可完成初步分析的上一个子分析步后，开始下一个步骤。荷载的施加一般按比例进行，初始荷载施加后，按比例逐步进行后续的施加，其中初始的荷载的比例系数一般为0，随加载过程，后续的荷载比例系数会增加。荷载停止时，结构将形成机构退出工作。荷载的分析一般有位移或荷载加载方式，与试验分析近似。使用位移控制加载时，需要提前指定位移应用的监测点。使用这种控制加载，程序需要预先估算每一步加载位移所需的载荷值，然后等效地应用到结构上。当结构的承载力不能预知，或结构在分析中容易出现失稳问题时，应采用位移控制。分析的每个时间步长都需要求解非线性方程。同时，在具体的求解中还需要对刚度矩阵进行重构和求解，直至得出收敛解，否则需要将分析步缩小并重新运算。

当铰链需要卸荷时，应先卸除铰链的载荷，并以一定的方式将载荷施加到其他结构上。SAP2000软件中最常用的内力再分配方法有：卸载整个结构荷载，局部再分配外加荷载，用割线刚度再分配。该模型在Pushover条件下施加载荷采用位移控制，分析控制参数参照模型极限位移定义。

3 Pushover分析结果

利用有限元模型，并依据第2部分的分析过程，可以得出两种支撑的自振周期如表1所示。

表1 不同支撑类别的自振周期对比

表1中数据表明X形型钢混凝土斜支撑的周期明显小于人字形支撑的，证明X形支撑的刚度大于人字形的支撑，同时两种不同支撑的Pushover曲线如图4所示，其中模型A为X形支撑，模型B为人字形支撑。由曲线显然可以得出：X形型钢混凝土斜支撑结构的极限水平承载力大于人字形型钢混凝土斜支撑结构的。

人字形和X形支撑的塑性铰的最初和最终发展结果如图5～图8所示，根据整体分析结果和塑性发展过程图，可得人字形支撑的顺序为斜撑—梁—柱。通过引入支撑，使得原本出现在梁、柱上的塑性铰，逐步移到了支撑，而通过支撑的破坏耗能，替代了因框架柱破坏而导致的结构整体破坏和倒塌。同人字形类似，X形支撑的破坏形式也是先支撑，后梁柱，X形支撑的存在也极大的提高了整体结构的承载力和耗能能力。最终的结构的承载力下降，并非梁柱的破坏，而是支撑部分退出工作所引起的，支撑的存在极大的缓解了结构的倒塌。

4 结 论

选取某实际型钢混凝土阀厅结构为原型，依据其中典型的X形和人字形支撑建立有限元模型并进行研究。在明确了非线性静力Pushover分析法的原理、过程之后，对其进行了非线性静力的Pushover分析，并将分析结果进行对比，得出以下结论：

a.从周期角度而言，X形型钢混凝土斜支撑结构比人字形的小，从而证明其刚度较高，而对承载力的分析也发现，前者的承载力明显超过了后者。

b.对支撑的Pushover的分析过程得出：无论是X形或人字形，均较好的实现了塑性铰转移而产生的内力重分布，支撑的破坏先于梁柱结构的破坏，导致梁柱的破坏较难产生，从而提高了结构的整体承载力和抗倒塌性能，显示了良好的抗震性能。