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1、第4 l 卷第2 期2008 年2 月土木工程学报C m N Aa f V I LE N G I N E E R I N GJ O U R N A LV 0 1 4 1F e b N o 22 0 0 8北京A 3 8 0 机库结构地震反应分析钱稼茹-张微敬t 朱丹2 徐瑞2 赵作周胡晓斌1(1 清华大学，北京1 0 0 0 8 4；2 冲国航空工业规划设计研究院，北京1 0 0 0 1 1)摘要：为检验位于首都机场的北京A 3 8 0 机库结构在地震作用下的安全性，采用振型分解反应谱法和弹性时程分析法计算该结构小震作用下的反应，采用基于静力弹塑性分析的能力谱法及动力弹塑性分析法计算该结构大震
2、作用下的反应。结果表明：小震作用下，机库屋盖三层网架结构的中弦杆件受地震影响较大，三维地震作用下屋盖网架结构绝大多数杆件的内力大于单向地震作用下的内力，屋盖结构的水平地震反应大于竖向地震反应；大震作用下，支承屋盖结构的柱顶最大位移角远小于其限值，塑性铰主要分布在机库后墙x=1 2 2m、x=2 3 0 1 附近及大门开启边跨中的钢筋混凝土柱两侧的网架下弦杆件，钢筋混凝土柱刚进入屈服，结构整体刚度没有明显下降，结构整体尚未达到最大承载能力。北京A 3 8 0 机库结构设计达到预定的抗震设防性能目标。关键词：北京A 3 8 0 机库结构；钢网架；支承柱；反应谱法；能力谱法；时程分析法中图分类号：T
3、 U 3 9 3 3文献标识码：A文章编号：1 0 0 0 1 3 1 X(2 0 0 8)0 2-0 0 0 9-0 8E a r t h q u a k er e s p o n s ea n a l y s e so fB e i j i n gA 3 8 0h a n g a rs t r u c t u r eQ i 五删1Z h a n gW e i j i n g jZ h uD a n 2X uR u i 2Z h a oZ u o z h o u lH uX i a o b i n l(1 T s i n g h u aU n i v e r s i t y，B e i j
4、i n g10 0 0 8 4，C h i n a；2 C h i n aA e r o n a u t i c a lP r o j e c t&D e s i g nI n s t i t u t e。B e i j i n g1 0 0 0 11，C h i n a)A b s t r a c t：T os t u d yt h es e i s m i cs a f e t yo fB e i j i n gA 3 8 0h a n g a rs t r u c t u r ea tC a p i t a lA i r p o r tr e s p o n s es p e c t r
5、 u ma n a l y s i sa n de l a s t i ct i m eh i s t o r ya n a l y s i so ft h es t r u c t u r eu n d e rt h em i n o re a r t h q u a k ew e r ec a r r i e d。p u s h o v e ra n a l y s i s b a s e dc a p a c i t ys p e c t r u m m e t h o da n dd y n a m i ce l a s t o p l a s t i ca n a l y s i s
6、m e t h o dw e r ea d o p t e dt op e r f o r mt h em a j o re a r t h q u a k er e s p o n s ea n a l y s i so ft h es t r u c t u r e U n d e rt h em i n o re a r t h q u a k e，t h em i d d l ec h o r dm e m b e r so ft h et r i l a y e rs p a c ef r a m eo ft h eh a n g e rr o o fs t r u c t u r
7、eh a v el a r g e rr e s p o n s e；f o rm o s tc h o r dm e m b e r st h ei n t e r n a lf o r c e su n d e rt h r e e d i m e n s i o n a le a r t h q u a k ei n p u ta r el a r g e rt h a nt h o s eu n d e ro n e d i m e n s i o n a le a r t h q u a k ei n p u t；h o r i z o n t a ls e i s m i cr e
8、 s p o n s ea c t sad o m i n a n tr o l ef o rt h eh a n g a rr o o fs t r u c t u r e U n d e rt h em a j o re a r t h q u a k e，t h em a x i m u mt o pd r i f ta n g l eo ft h es u p p o r t i n gc o l u n u l si sm u c hl e s st h a nt h el i m i tv a l u e；m o s tp l a s t i ch i n g e sa r ef
9、o r m e do nt h eb o t t o mc h o r dn l e m b e r sc l o s et ot h eb a c kw a l la n da r o u n dt h er e i n f o r c e dc o n c r e t ec o l u m na tt h em i d d l eo ft h ed o o ro p e n i n gs i d e；t h er e i n f o r c e dc o n c r e t ec o l u m ny i e l d ss l i g h t l y；t h eo v e r a l ls
10、 t i f f n e s so ft h es t r u c t u r eh a sn o to b v i o u s l yr e d u c e da n dt h em a x i m u mb e a r i n gc a p a c i t yo ft h es t r u c t u r eh a sn o tr e a c h e d r 1 1 l ed e s i g no fB e i j i n gA 3 8 0h a n g a rs t r u c t u r ea c h i e v e st h ee a r t h q u a k ep e r f o
11、 r m a n c eo b j e c t i v e s，K e y w o r d s：B e i j i n gA 3 8 0h a n g a rs t r u c t u r e；s t e e ls p a c ef r a m e；s u p p o r t i n gc o l u m n；r e s p o n s es p e c t r u mm e t h o d；c a p a c i t ys p e c t r u mm e t h o d；t i m eh i s t o r ya n a l y s i sm e t h o dE-m a i l：q i
12、a n j r t s i n g h u a e d u c a引言位于首都机场的北京A 3 8 0 机库大厅长3 5 2 6m，进深1 1 0m，最大高度4 0m。其屋盖结构采用斜放四角锥三层钢网架与大门开启边钢桁架相结合的方案，下弦支承，网格尺寸为6 0m 6 0m，高度8 0m，作者简介：钱稼茹，教授收稿1 3 期：2 0 0 7-0 7-2 7采用Q 3 4 5 钢材；支承结构采用四肢格构式钢管混凝土柱，钢管直径3 2 5a m、壁厚1 2m m，内填C 5 0 混凝土，钢管混凝土柱之间设置钢梁，侧墙柱距1 2 0m，后墙柱距1 8 0m，与柱间支撑共同构成机库大厅的抗侧力体系；大门
13、开启边的跨中采用一根钢筋混凝土矩形空心柱，截面外形尺寸为5 4 0 0m m x 7 0 0 0n l m，C 4 0混凝土，为大门一侧和机库中间区域在两个水平方向提供了大的抗侧刚度。机库大厅结构的主要设计参数为：安全等级为一 万方数据土木工程学报2 0 0 8 年级，设计使用年限5 0 年，8 度抗震设防，设计地震分组为第一组，设计地震加速度为0 2g，m 类场地。为检验A 3 8 0 机库结构地震作用下的安全性和其是否达到抗震设防性能目标，采用反应谱法和弹性时程分析法计算了小震作用下机库结构的地震反应，采用基于静力弹塑性分析的能力谱法及弹塑性时程分析法计算了罕遇地震作用下的反应。1 结构计
14、算模型A 3 8 0 机库共有2 2 5 3 3 根构件。采用S A P 2 0 0 0 程序 2】、空间三维杆模型进行该结构的地震反应分析，计算模型包括屋盖钢网架结构和支承结构，网架结构杆件的长度取其两端球节点中心至中心的距离，钢管混凝土柱和钢筋混凝土柱固定在基础顶面，柱顶与钢网架相关节点之间为铰接。规定平面长向为z 向、短向为Y 向，竖向为z 向。结构的质量分布与其重力荷载代表值一致，重力荷载代表值取(恒载+0 5 雪荷载)3】。弹性分析时，阻尼比取为O 0 2。计算结果表明，大震时结构少量杆件屈服，与初始刚度相比，整体刚度降低很少，因此，弹塑性时程分析时，结构的阻尼比取为0 0 3 5，
15、采用与质量和刚度相关的瑞雷阻尼。2 弹性地震反应分析2 1 分析方法采用振型分解反应谱法(单向和水平双向)和弹性时程分析法(单向输入和三维输入)进行小震作用下A 3 8 0 机库结构的地震反应计算；反应谱法取1 5 0 个振型，用C Q C 法组合；弹性时程分析采用振型叠加法，取1 5 0 个振型。按照健筑抗震设计规范网规定，结合典型记录以及场地类别进行初步选波 4 1，通过大量试算，最终确定1 9 4 0E 1 一C e n t r o l 波、1 9 8 7E m c F a i r v i e w 波、1 9 8 9C o r r a l i t 波、1 9 5 2T a f t 波、1
16、 9 9 4L w d D e l 波和1 9 7 6 天津医院波等6 组强震记录以及1 组5 0 年一遇人工模拟加速度时程曲线为时程分析的地震输入。其中，E 1-C e n t r o l 波、C o r r a l i t 波和T a f t 波为三向波，E m c F a i r v i e w 波、L w d D e l 波和人工波为双向水平波，天津医院波为竖向波。为考察多维地震作用的影响 5】，对每组波分别计算茗、Y、石单向输人以及三维输入(哦：a t：鲈1：0 8 5：0 6 5，哦：a t：嚷=O 8 5：1：0 6 5)的反应。三维输人时，双向水平波中一个方向的地震波同时作为竖
17、向波；天津医院的竖向波同时作为水平波。菇、Y单向输人时以及三维输人时主方向地震波的加速度峰值调整为0 0 7g，名单向输入时地震波的加速度峰值调整为0 0 4 5 5g。2 2 分析结果2 2 1 静力分析地震反应分析前，首先进行静力分析，施加重力荷载代表值，计算得到屋盖杆件的静内力。结果表明：杆件最大拉、压内力分别为2 4 5 2 9k N 和2 4 8 9 1k N，分别为位于戈=(1 7 6 1 8 2)m、Y=5m 处的大门桁架上弦和大门桁架下弦；屋盖结构除个别杆件应力达到1 5 0N m m 2 外，大部分杆件应力小于1 0 0N m m 2，说明重力荷载代表值作用下，杆件强度有较大
18、富余。重力荷载代表值作用下，屋盖结构在石向的最大位移为0 0 4 5 1m，在Y 向的最大位移为0 1 0 3 1m，在z 向的最大位移为0 4 6 3m。对于网架结构大跨度机库，除了强度校核外，变形控制也应高度重视，可以通过在施工中采取措施，减小重力荷载代表值作用下的水平位移。2 2 2 反应谱法分析采用水平双向输入反应谱的计算结果寻找屋盖结构组合应力大的杆件，杆件的组合应力=1 2I 静力应力I+1 3I 地震应力f。计算结果表明：3 8 根杆件的组合应力大于2 0 0N m m 2，其中组合应力最大的4 根杆件均为网架下弦杆件，杆件号为7 0 3 0、1 7 4 1 2、9 0 9 5
19、及1 9 4 4 2，其组合应力分别为2 9 1 6 N m m 2、2 9 5 8N m m 2、2 7 5 6N m m 2 和2 7 6 5N m m 2。2 2 3 单向地震输入时程分析(1)整体反应在戈、Y 单向地震作用下，7 条地震波得到的结构最大剪重比平均值以及柱顶峰值位移角平均值与单向反应谱法计算结果的比较见表1。7 条地震波最大剪重比的平均值大于反应谱法计算结果的8 0，满足建筑抗震设计规范的要求。柱顶位移角小于健筑抗震设计规藕黟规定的钢筋混凝土框架结构层间位移角的限值。在单向地震作用下，结构的名、Y 及彳向的位移峰值见表2。其中，戈、Y 向位移峰值分别产生于髫、Y向地震输入
20、，彳向位移峰值除L w d D e l 波产生于彳向表1 单向地震作用下剪重比和柱顶位移角T a b l e 1 S h e a rf o r c e-w e i g h tr a t i oa n dt o pd r i f ta n g l eo fs u p p o r t i n ge o h t m mu n d e ro n ed i m e n t i o n a le a r t h q u a k ee x c i t a t i o n 万方数据第4 1 卷第2 期钱稼茹等北京A 3 8 0 机库结构地震反应分析地震输人外，其他均产生于y 向地震输入。由表2 可以看出，7
21、条地震波单向作用下，x、Y 向及彳向位移峰值的平均值均小于单向反应谱分析得到的相同方向的位移值。表2 单向地震作用下结构位移峰值T a b l e 2P e a kd i s p l a c e m e n to ft h es t r u c t u r eu n d e ro n ed i m e n t i o n a le a r t h q u a k ee x c i t a t i o n(m)(2 k 向时程分析杆件内力定义单向地震作用下，杆件的地震内力系数孝为：辟埘sE式中：和疋分别为杆件的最大地震内力值和重力荷载作用下的静内力值。在所选的各条地震波作用下，屋盖网架杆件内力的
22、分布规律相同。本文以输入E m c F a i r v i e w 波的计算结果说明单向地震作用下屋盖网架杆件内力的分布规律。省方向输入E m c F a i r v i e w 波，屋盖网架下弦的4 1 3 0 根杆件中，地震内力系数大于0 0 5 的杆件量约为2 3，大于0 3 的杆件量约为4，大于1 的杆件5 3 根(大多数杆件的静内力较小，不起控制作用)。l 静内力I 1 0k N 的4 0 8 5 根杆件中，地震内力系数平均值为0 0 6 7，最大值超过1 0，组合应力最大的杆件号与反应谱法所得结果相同，为7 0 3 0 及1 7 4 1 2 号杆件(组合应力为2 5 0 8N r
23、a m 2 及2 5 8 8N r a m，其地震内力系数分别为1 0 和0 9 5。与其他杆件相比，这两根杆件的静内力不算大、也不算小，但地震内力较大。静内力为中等大小的杆件在网架结构抗震设计中需要给予重点关注。图1 给出地震内力系数大于0 3 的1 8 1 根杆件在网架下弦平面内的位置，可以看出，网架下弦地震内力系数较大的杆件主要分布在网架周边有柱支承的位置(机库后墙及侧墙)，其中，机库后墙x=1 2 2m、x=2 3 0I n 附近及开口边中间混凝土柱附近杆件的地震内力系数较大，网架下弦地震内力系数较大的杆件分布构成一个空心梯形的形状。在网架中弦的2 1 0 7 根杆件中，地震内力系数大
24、于0 0 5 的杆件占9 3，大于0 5 的杆件占3 1 6。I 静内力l 1 0 k N 的1 7 6 1 根杆件中，地震内力系数平均值为0,2 5 9，最大值为2 4 1；图2 给出网架中弦地震内力系数大于0 5 的6 6 6 根杆件的位置，可以看出，杆件分布比较均匀，且两边密集，中间较少。F。孓_、I 了：7 _”一_ i I _ 万：、。|，：。：一一，。：1|。I：1。j 乡，：；二。!：。二二2 二：篓二曼妄波：二立二蔓二：之蔓：!。冀jI l l1 网架下弦亭 0 3 的杆件分布(工向输入E m c F a i r v i e w 波)F i g 1D i s t r i b u
25、 t i o no fb o t t o mc h o r dm c m b e 璐w i t h 参 0 3Ii n p u tE m c F a i r v i e we a r t h q u a k er e c o r di nzd i r e c t i o n)图2 网架中弦孝 0 5 的杆件分布(工向输入E m c-F a i r v l e w 波)F i g 2D i s t r i b u t i o no fm i d d l ec h o r dm e m b e 璐w i t h 手 0 5(i n p u tE m c-F a i r v i e we a r t
26、 h q u a k er e c o r di n 善d i r e c t i o n)在网架上弦的4 0 9 4 根杆件中，地震内力系数大于0 0 5 的杆件占1 9，大于0 3 的杆件占4。l 静内力l 1 0 k N 的4 0 4 1 根杆件中，地震内力系数平均值为0 0 5 3，最大值为1 9 8。(3)Y 向时程分析杆件内力Y 向弹性时程分析与髫向弹性时程分析得到网架杆件内力系数分布规律基本相同。E m c F a i r v i e w 波Y向作用下，网架下弦地震内力系数大于0 0 5 的杆件占8 1，I 静内力I 1 0k N 的杆件的地震内力系数平均值为0 1 1 5，最大
27、值为7 8 7。图3 给出了网架下弦地震内力系数大于0 3 的杆件分布，可以看出，地震内力系数较大的杆件构成一个空心梯形的形状，开口 万方数据土木工程学报2 0 0 8 年边中间混凝土柱附近的杆件数量较多，且向跨中伸展。网架中弦和上弦地震内力系数大于O 0 5 的杆件分别占9 8 和7 6，l 静内力I 1 0k N 的杆件的地震内力系数平均值分别为0 5 5 8 和0 1 0 9，最大值分别为3 8 5 和4 8 1。匿二聂忽图3 网架下弦务的杆件分布(y 向输入E m c F a i r v i e w 波)F i g 3D i s t r i b u t i o no fb o t t
28、o mc h o r dm e m b e r sw i t h 争0 3(i n p u tE m c F a i r v i e we a r t h q u a k er e c o r di nYd i r e c t i o n)(4 k 向时程分析杆件内力竖向地震作用下网架杆件的内力响应与水平地震作用下的规律基本相同。E m c F a i r v i e w 波2 向作用下，网架下弦地震内力系数大于0 0 5 的杆件占2 8，I 静内力I 1 0 k N 的杆件地震内力系数平均值为0 0 6 1，最大值为2 9 4。竖向地震作用下与菇向水平地震作用下的地震内力系数分布特点总体上相
29、似，但机库后墙地震内力系数较大的杆件数量减少。网架中弦和上弦地震内力系数大于0 0 5 的杆件分别占9 3 和2 9，I 静内力I 1 0 k N 的杆件地震内力系数平均值分别为0 2 1 7 和0 0 6 4，最大值分别为1 6 9 和1 8 3。上述结果表明，中弦杆件受地震作用的影响较大；无论是各条地震波作用下的最大地震内力系数，还是7 条地震波作用下最大地震内力系数的平均值，均是由于水平地震作用的结果，A 3 8 0 机库屋盖网架结构的水平地震反应大于竖向地震反应。2 2 4 三维地震输入时程分析(1)杆件内力定义三维地震输入作用下杆件的地震内力系数缸为：分斜(2)式中：如一为三维地震输
30、入时杆件的最大地震内力值。在所选的各地震波三维输入作用下，屋盖网架杆件内力反应的规律相同。以E m c F a i r v i e w 地震记录三维作用下(瓯：a t：儡=l：0 8 5：0 6 5)的结果为例：网架下弦、中弦和上弦地震内力系数大于0 0 5 的杆件分别占9 8、1 0 0 和9 8，I 静内力l 1 0k N 的杆件的地震内力系数最大值分别大于1 0、3 5 和3 0。图4给出网架下弦地震内力系数大于0 3 的2 8 9 根杆件的平面位置。r 了_ 喁_ _ _ _ 虿4 i：、S、，7t，7 岔爿匕，i。誓衫钐；7 j 。-。j-C。x，泛、?i 羹、w。，、一L，、，J图
31、4 网架下弦参矿0 3 的杆件分布 E m c-F a i r v i e w 波三维输入)F i g 4D i s t r i b u t i o no fb o t t o mc h o r dm e m b e r sw i t h 靠 0 3(i n p u tE m c F a i r v i e we a r t h q u a k er e c o r di nt h r e ed i r e c t i o n s)为比较三维与单向地震作用对网架杆件内力的影响，图5 和图6 分别给出了在E 1 C e n t r o l 波和E m c F a i r v i e w 波作用下
32、，下弦杆件的三维地震(口。：a，：口产1：0 8 5：0 6 5 及a x：a y：a z=O 8 5：1：0 6 5)内力峰值与单向地震(戈向及Y 向)内力峰值之比的杆件数量分布图。可以看出，绝大多数下弦杆件的三维地震内力峰值大于单向地震内力峰值。总体上，在E 1 一C e n t r o 波和E m c F a i r v i e w 波作用下，杆件的三维地震内力峰值分别为单向地震内力峰值的1 2 5 倍和1 3 9 倍。图5 不同地震内力峰值比下弦杆件数量分布图(输入E I C e n t r o l 波)F i g 5N u m b e r so fb o t t o mc h o r
33、 dm e m b e rw i t hd i f f e r e n tp e a l【e a r t h q u a k ei n t e r n a lf o r c er a t i o(i n p u tE l-C e n t r o lr e c o r d)1 枷1 2 0 01 0()0湘f8 0 0籁6 0 04 0 02 O0-I 0I 0-I 21 2-1 31 3-1 51 5 2 0 2 0图6 不同地震内力峰值比下弦杆件数量分布图I 输入E m c F a i r v i e w 波)，F i g 6N u m b e r so fb o t t o mc h o
34、r dm e m b e rw i t hd i f f e r e n tp e a ke a r t h q u a k ei n t e r n a lf o r c er a t i o(i n p u tE m c-F a i r v i e wr e c o r dl(2)结构位移三维地震波a。：a，：a：=1：0 8 5：0 6 5 及a。：a，：嗄=0 8 5：1：0 6 5)作用下，x,y 和名向结构位移反应峰值的平均值分别为0 0 2 9 2i n、0 0 3 2 1i n 和0 0 4 2 5m，分别为单向地震作用下结构位移峰值平均值的1 1 1 倍、1 0 7 倍及1
35、2 6 倍。万方数据第4 1 卷第2 期钱稼茹等北京A 3 8 0 机库结构地震反应分析3 弹塑性地震反应分析3 1 塑性铰及其参数根据小震弹性分析结果、不同截面类型的杆件数量以及杆件重要程度，屋盖网架共设置了1 1 0 6 个塑性铰，钢筋混凝土柱与钢管混凝土柱全部设塑性铰。S A P 2 0 0 0 的杆单元为集中塑性铰模型，塑性铰的力(轴力或弯矩)一位移(轴向变形或转角)关系曲线的骨架线可以简化为图7 所示：图7 塑性铰的广义力一变形关系的骨架线F i g 7G e n e r a lf o r c e-d e f o r m a t i o ns k e l e t o nc u r v
36、 eo fp l a s t i ch i n g e s图7 中：纵坐标Q 为塑性铰的广义力，Q，为塑性铰的广义屈服强度，可以为力或弯矩；横坐标为塑性铰广义位移，可以为位移或转角口。A 为起始原点，B 为塑性铰的屈服点，c 为塑性铰的极限承载力点，D 为塑性铰的剩余承载力点，E 为塑性铰失效，退出工作。I O(I m m e d i a t eO c c u p a n c y)表示可修，L s(L i f eS a f e t y)表示可修但修理费用较高，C P(C o l l a p s eP r e v e n t i o n)表示不可修。根据A 3 8 0 机库杆件的受力性能。定义两
37、种塑性铰：P 型铰，用于轴力为主的杆件，如网架和桁架的杆件；P M M 型铰，用于同时承受轴力和弯矩的构件，包括钢管混凝土柱和钢筋混凝土柱。计算构件截面的屈服强度或屈服承载力时，材料强度采用标准值。P 铰采用S A P 2 0 0 0 程序默认的钢构件铰属性，设置在杆件中部；P M M 铰设置在构件两端，采用自定义铰，其属性见表3。表中，钢管混凝土柱的弯矩和转角为归一化的数值，钢筋混凝土柱的弯矩为归一化的数值，转角为塑性转角，其单位为弧度。对于P M M 铰，除变形参数外，还要在三维P-M 2-M 3 空间设定个屈服面，代表轴力P、次弯矩M 2 和主弯矩M 3 的不同组合发生屈服的情况。根据钢
38、管混凝土柱和钢筋混凝土柱的截面参数(包括截面尺寸，混凝土强度，钢管壁厚，配筋，钢材品种等)，计算相应的P M M 关系曲线“】。表3P M M 铰变形参数T a b l e 3D e f o r m a t i o np a r a m e t e r so fP M Mh i n g e s3 2 能力谱法计算弹塑性地震反应3 2 1 计算步骤以静力弹塑性分析即推覆分析结果为基础的能力谱法计算结构的地震反应主要包括下列步骤 7-9 1：由静力弹塑性分析得到用基底剪力(y。)一顶点位移()关系表示的结构能力曲线；将能力曲线转换为用谱加速度(s a)一谱位移(&)关系表示的能力谱曲线；建立弹性需
39、求谱曲线，一般可由规范的反应谱曲线得到；由弹性需求谱曲线，根据结构的延性系数建立弹塑性需求谱曲线，或根据结构的等效阻尼比建立等效弹性需求谱曲线；将能力谱曲线和需求谱曲线置于同一坐标系中，确定性能点；由性能点确定结构的地震反应，包括层间位移角、塑性铰的分布、构件塑性变形等；评价结构的抗震能力。本文用能力谱法分别计算A 3 8 0 机库结构的菇、Y向在罕遇地震作用下的反应。推覆分析时考虑几何非线性(p-A 效应)。由于A 3 8 0 机库的质量主要集中在屋盖，髫、Y 向第一振型的质量参与系数分别为0 8 8和0 6 4，石、Y 向以各自的第一振型反应为主，因此，采用的水平力分布模式与各自的第一振型
40、一致，能力曲线转换为能力谱曲线、性能点转换为结构地震反应时，按单自由度体系转换。罕遇地震的需求谱采用弹性需求谱，由建筑抗震设计规范对应的地震影响系数曲线转换得到。3 2 2 计算结果由静力弹塑性分析，得到菇向、Y 向基底剪力一控制点节点1 1 水平位移关系曲线；将能力曲线转换为能力谱曲线，与罕遇地震的需求谱曲线画在同一坐标系内(图8)，交点为相应的性能点。万方数据1 4 土木工程学报2 0 0 8 年图8 确定X 向和Y 向性能点F i g 8D e t e r m i n a t i o no fp e r f o r m a n c ep o i n t si n 工a n dYd i r
41、 e c t i o n s由图8 可以看出，在戈、Y 向罕遇地震作用下，机库结构整体处于弹性、尚未达到最大承载力。表4为性能点坐标及结构的地震反应，表中，&、S。分别为性能点的谱位移和谱加速度，为控制点位移，(。)。为最大柱顶位移，为最大柱顶位移角，乳声(。)一日，日为柱顶高度，y 为基底剪力，V W为剪重比。形为总重力荷载代表值。由表4，罕遇地震作用下，机库石向和y 向的最大柱顶位移角远小于钢筋混凝土框架结构1 5 0 的限值和单层钢筋混凝土柱排架1 3 0 的限值口】。表4 罕遇地震作用下能力谱法计算结果T a b l e 4C a l c u l a t i o nr e s u l
42、t sf r o mc a p a c i t ys p e c t 盯mm e t h o du n d e rr a r ee a r t h q u a k ee x c i t a t i o n彤向罕遇地震作用下，网架下弦和支承结构的塑性铰分布示于图9。网架上弦也有塑性铰。网架下弦杆件的塑陛凌主要分布在机库后墙(y=ll O m)x=1 2 2 m、x=2 3 0I T I附近；位于后墙及侧墙的2 根钢管混凝土柱形成塑性铰，位于机库后墙x=1 4 0 3 5m 处的1 根钢管混凝土柱破坏较严重；大门开启边的钢筋混凝土柱屈服。除x=1 4 0 3 5i n 处的钢筋混凝土柱外塑性铰均处
43、于不需修理就可继续使用的B I O 阶段。Y 向罕遇地震作用下，网架下弦杆件的塑性铰主要分布在大门开启边(y=0m)的钢筋混凝土柱两侧，网架上弦杆件也出现塑性铰，钢管混凝土柱处于弹性阶段，钢筋混凝土柱刚进入屈服。3 3 时程法计算弹塑性地震反应3 3 1 地震输入采用3 组地震记录计算A 3 8 0 机库结构在大震作P”琴譬o。：哆”“、弋6?w“-篡一对掌9*X 譬。、，1，o 一。，、一o：”、。“_“1 t，、。；。?|。、rl?。一、一。一一-：。，；。，”1 1Z“*_、。_“。一一_ 一：，一。7、，-。-，一。o，一：一。一?-。一_。?j1弘i+：五。、蹦鲁力k 二：二：竞；叠
44、 A 吖以参，良一“+：“，u：。仉：己o#矗屯么挺(a)网榘下弦尹u y“钢管混凝土柱及钢筋混凝土柱图9z 向罕遇地震作用下塑性铰分布示意图F i g 9P l a s t i ch i n g ed i s t r i b u t i o nd i a g r a mu n d e rr a P ee a r t h q u a k e si n 工d i r e c t i o n用下的弹塑性地震反应，即C o r r a l i t 地震记录、L w d D e l 地震记录和天津医院竖向地震记录。选择地震记录的原则为：平均加速度反应谱曲线与设计反应谱曲线相符；多遇地震影响下，计算得到
45、的平均最大地震反应(包括基底反力和控制点位移)与振型分解反应谱法计算结果接近。以上地震波均采用三向输入，最大峰值加速度调整到4 0 0g a l。L w d D e l 地震记录的一个水平方向地震波同时用作z 向输入，天津医院的竖向地震记录同时用作茗、，向输入。C o r r a l i t 地震记录的计算时间为1 0s。L w d D e l 地震记录和天津医院竖向记录的计算时间为1 5s。动力弹塑性分析采用S A P 2 0 0 0 提供的非线性直接积分方法，考虑几何非线性影响即尸以效应。3 3 2 塑性铰限于篇幅，表5 仅列出三维地震波输人为a 挪，：a 产1：0 8 5：0 6 5 工
46、况下的杆件塑性铰数量。在3 种地震波作用下，破坏较严重的1 根钢管混凝土柱均为位于x=3 0 1 6 5m 处，与图9 所示能力谱法计算结果相同(考虑对称性)。钢筋混凝土柱的塑性铰处于B I O阶段(C o r r a l i t 波和L w d D e l 作用下)或I O L S 阶段(天津医院波作用下)。屋盖网架下弦杆件塑性铰的分布与能力谱法计算结果基本相同，主要分布在机库后墙x=1 2 2I n、x=2 3 0I T I 附近及大门开启边的钢筋混凝土柱两侧，如图1 0 所示。3 3 3 位移反应3 组地震波作用下，罕遇地震时最大柱顶位移(。)。及最大位移角平均值()。见表6，最大柱顶
47、万方数据第4 1 卷第2 期钱稼茹等北京A 3 8 0 机库结构地震反应分析(a)C o r r a l i t 地震波三维输入一溺l 基：!龛盎基么乏i 蔓盛：羹薹j 藏磊磊妻乏翻(c)天津医院：向波三维输入图l O 罕遇地震作用下网架下弦杆件塑性铰分布示意图F i g 1 0P l a s t i ch i n g ed i s t r i b u t i o nd i a g r a mo fb o t t o mc h o r dm e m b e r su n d e rr a r ee a r t h q u a k e s表5 三维地震波输入杆件塑性铰数量T a b l e 5P
48、 l a s t i ch i n g en u m b e r su n d e rt h r e e-d i m e n s i o n a le a r t h q u a k ee x c i t a t i o n s位移角O n e=(c)一用，日为柱高。由表5 可以看出，在3 组三维地震波作用下，结构菇向和Y 向最大柱顶位移角的平均值分别为1 2 3 5 和1 2 0 0，略小于能力谱法的计算结果，远小于1 5 0。4 结论通过北京A 3 8 0 机库结构的地震反应分析，可以得到以下结论：(1)小震作用下：屋盖网架结构绝大部分杆件的水平地震内力大于竖向地震内力，水平地震反应起控制
49、作用；网架中弦杆件受地震作用影响较大，地震内力系数较大的杆件分布比较均匀，集中在长边的两侧；网架下弦地震内力系数较大的杆件分布在网架支座附近，形成一个梯形形状；三维地震作用下的反应大于单向地震作用下的反应，网架下弦杆件峰值内力之比的平均值在1 2 1 5 之间，最大位移之比的平均值在1 1 1 3 之间。大跨度机库网架结构抗震设计时，应进行三维地震反应计算。(2)大震作用下，屋盖网架结构破坏主要为下弦杆件屈服，钢筋混凝土柱刚屈服、为可修范围，个别钢管混凝土柱破坏较严重，最大柱顶位移角远小于1 5 0，结构的整体刚度和整体承载能力没有明显下降。A 3 8 0 机库结构设计达到了预定的抗震设防性能
50、目标。(3)在已有的文献中，基于静力弹塑性分析的能力谱法常用于高层建筑和桥梁结构的抗震分析，很少用于大跨空间结构，本文研究表明，能力谱法在大跨空间钢网架结构的弹塑性地震反应计算中也有很好的应用前景。参考文献 1 F a j kP C a p a c i t ys p e c t r u mm e t h o db a s e do ni n e l a s t i cd e m a n ds p e c t r a J E a r t h q u a k eE n g i n e e r i n ga n dS t r u c t u r a lD y n a m i c s。1 9 9 9，