摘要
为揭示地震‑风同时作用和先后作用下自复位支撑结构的损伤分布规律,对一50层钢框架‑自复位支撑筒在不同强度地震动与50年重现期风荷载下的梁/柱构件和结构整体损伤进行分析。结果表明,地震单独作用和地震‑风同时作用下,支撑筒梁均比外框架梁先受损,支撑筒柱较外框架柱损伤发展更快;地震‑风同时作用增大了柱的损伤程度,使31层柱的最大损伤值增大了78.6%;随着地震动强度的增大,风荷载作用对结构整体损伤的加重程度逐渐增大。在不同强度的地震动与50年重现期风荷载先后作用下,风荷载增大了震损结构的最大残余变形角均值;当峰值地面加速度为10 m/
震害资料表明,历次地震造成的房屋破坏和倒塌导致了大量人员伤亡和经济损失。在强烈地震作用下,结构进入几何非线性状态,应力和应变进入深度塑性阶段,通常需要考虑累积损伤对结构受力性能的影响。钢结构的损伤可通过定义钢材损伤本构模型来考虑,WANG
近年来,关于多灾害对结构影响的研究日益广泛。对高层结构而言,风灾害是其在服役期间除地震外面临的主要威胁,对结构性能有很大影
地震和风荷载通常对高层结构性能起控制作用,故研究地震‑风耦合作用下的结构性能具有重要意义。预压碟簧自复位耗能(pre‑pressed spring self‑centering energy dissipation,PS‑SCED)支撑作为新型韧性关键构件,由XU
本文以一基于中国《建筑抗震设计规范》(GB 50011―2010

图1 结构平面布置图(单位:mm)
Fig.1 Plan layout diagram of structure (Unit: mm)
结构在LS‑DYNA软件中的数值模型如

图2 结构数值模型
Fig.2 Numerical model of structure

图3 梁、柱截面纤维单元
Fig.3 Fiber elements of cross sections of beam and column
单轴BONORA损伤本构模型中,损伤演化的基本方程
(1) |
式中,为非负的塑性乘子;为材料损伤势函数;为与损伤相关联的变量;和分别为损伤增量和累积损伤值;和分别为材料初始损伤值和材料失效时的损伤值;和分别为材料损伤开始时的累积等效塑性应变和材料失效时的累积等效塑性应变;和分别为静水压力和等效应力;为考虑三轴应力状态下的影响因子;为损伤参数;和分别为等效塑性应变和等效塑性应变增量。
在LS‑DYNA软件中运用单轴BONORA损伤本构模型需定义构件材料参数,
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
εth | 0.001 | Eh/MPa | 200 |
εcr | 0.24 | α∞/MPa | 300 |
dcr | 0.065 | C/MPa | 800 |
d0 | 0 | β | 0.5 |
α | 0.2173 |
本文所用地震动记录是文献[

图4 地震动记录加速度反应谱
Fig.4 Acceleration response spectra of ground motion records
风速由平均风速和脉动风速组成,平均风速为沿高度变化的函数,脉动风速可基于线性滤波法的自回归模型进行模拟。本文中所用风荷载时程可根据平均风速函数和模拟所得的脉动风速时程计算得出。北京地区50年重现期(记为R50)的基本风压为0.45 kN/


图5 模拟脉动风速时程及其模拟谱和目标谱对比
Fig.5 Simulated pulsating wind speed time‑history and comparison of simulated spectrum and target spectrum
本文中,结构的梁、柱截面损伤值取截面上纤维单元损伤值的平均值,即截面各纤维单元损伤值之和与截面纤维单元数量的比值;梁、柱构件损伤值取梁、柱两端截面损伤值中的较大值。
对结构施加PGA为10 m/
地震动记录 | 最大损伤构件信息 | |
---|---|---|
损伤值 | 所在楼层 | |
GM1 | 0.262 | 9层 |
GM2 | 0.415 | 33层 |
GM3 | 0.277 | 7层 |
GM4 | 0.246 | 32层 |
GM5 | 0.277 | 14层 |
GM6 | 0.138 | 9层 |
GM7 | 0.154 | 9层 |


图6 PGA为10 m/
Fig.6 Structural damage nephogram under earthquake action with PGA of 10 m/
将GM2地震动的PGA分别调至4、5.88、8和10 m/
地震动单独作用时,模拟总时长为80 s,0~30 s为地震动作用,30~80 s为空白波,结构发生自由振动;地震‑风同时作用时,模拟总时长为150 s,其中,风荷载自0 s起持续加载至100 s,地震动从30 s起开始作用,100~150 s为空白波,结构发生自由振动。本节中损伤值均取自由振动结束后的损伤值。
4种PGA强度的GM2地震动单独作用以及GM2地震动和R50风荷载同时作用下,结构梁、柱损伤均主要集中在
由于本文中地震动为单向输入激励,地震单独作用和地震‑风同时作用下结构各层均为



图7 PGA为4和5.88 m/
Fig.7 Damage values of beams under GM2 ground motion action with PGAs of 4 and 5.88 m/



图8 PGA为8和10 m/
Fig.8 Damage values of beams under GM2 ground motion action with PGAs of 8 and 10 m/
为进一步分析风荷载对各层梁损伤的影响程度,计算梁L1~L28在地震单独作用下和地震‑风同时作用下损伤值的差值平方和,将差值平方和开平方后得出的结果定义为损伤差异因子,损伤差异因子越大,说明风荷载对梁损伤的影响越大。4种PGA强度的GM2地震动作用和地震‑风同时作用下,结构31~36层梁的损伤差异因子如
PGA/(m⋅ | 损伤差异因子 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
31层 | 32层 | 33层 | 34层 | 35层 | 36层 | |
4 | 0.030 | 0.052 | 0.052 | 0.039 | 0.024 | 0.014 |
5.88 | 0.053 | 0.045 | 0.040 | 0.040 | 0.035 | 0.019 |
8 | 0.038 | 0.021 | 0.031 | 0.026 | 0.025 | 0.032 |
10 | 0.073 | 0.040 | 0.029 | 0.037 | 0.033 | 0.027 |
提取与荷载输入方向平行的结构薄弱层31层梁L8、L13、L17、L18和L19,将其在4种PGA强度的GM2地震动单独作用以及GM2地震动和风荷载同时作用下的损伤值分别列于
PGA/(m⋅ | 损伤值 | ||||
---|---|---|---|---|---|
L8 | L13 | L17 | L18 | L19 | |
4 | 0.006 | 0.007 | 0.000 | 0.166 | 0.000 |
5.88 | 0.076 | 0.075 | 0.061 | 0.250 | 0.055 |
8 | 0.119 | 0.119 | 0.125 | 0.308 | 0.123 |
10 | 0.131 | 0.132 | 0.138 | 0.351 | 0.137 |
4种PGA强度的GM2地震动作用和地震‑风同时作用下结构的31层柱损伤值如




图9 GM2地震动作用和地震‑风同时作用下31层柱损伤值
Fig.9 Damage values of columns at the 31st story under GM2 ground motion action and under simultaneous action of earthquake and wind
PGA/(m⋅ | 损伤值 | ||||
---|---|---|---|---|---|
L8 | L13 | L17 | L18 | L19 | |
4 | 0.017 | 0.016 | 0.011 | 0.164 | 0.005 |
5.88 | 0.080 | 0.081 | 0.085 | 0.237 | 0.078 |
8 | 0.122 | 0.124 | 0.135 | 0.296 | 0.132 |
10 | 0.146 | 0.147 | 0.163 | 0.352 | 0.161 |
地震单独作用和地震‑风同时作用下,PGA为4和5.88 m/
结构整体损伤与各层结构构件损伤情况相关。结构第j层损伤值由该层构件损伤值加权组合得
(2) |
式中,为第j层第i个构件的损伤值;为第j层第i个构件的重要性系数,的计算式如
(3) |
式中,为结构去掉第j层第i个构件后的第k阶频率相较完整结构第k阶频率的减小量;为完整结构的第k阶频率。本节定义最大楼层损伤值为结构整体损伤值。
为使所取结构频率对应的模态质量之和不小于结构等效质量的90
柱号 | 重要性系数 |
---|---|
Z1 | 0.061 |
Z2 | 0.062 |
Z8 | 0.071 |
Z9 | 0.107 |
Z14 | 0.008 |
根据构件重要性系数和损伤值,计算得出GM2地震动作用和地震‑风同时作用下的结构整体损伤值如
PGA/(m⋅ | 仅地震作用 | 地震+R50风荷载同时作用 |
---|---|---|
4 | 0.001 | 0.003 |
5.88 | 0.016 | 0.026 |
8 | 0.066 | 0.086 |
10 | 0.090 | 0.115 |
结构遭受较大地震动作用后,风荷载的再次作用可能会对其损伤产生不利影响,而残余变形和构件损伤程度是反映结构损伤的重要指标,故本节主要研究风荷载作用对震损结构残余变形和损伤最大构件损伤发展的影响。将7条地震动记录的PGA分别调至8和10 m/

图10 地震动单独作用和地震、风先后作用下结构最大残余变形角均值
Fig.10 Average structural residual deformation ratios under ground motion action alone and under successive action of earthquake and wind
为进一步分析震后风荷载对结构最大残余变形角的影响,提取各工况下结构最大残余变形角如
地震动记录 | PGA=8 m/ | PGA=10 m/ | ||
---|---|---|---|---|
仅地震作用 | 地震+R50风荷载先后作用 | 仅地震 | 地震+R50风荷载先后作用 | |
GM1 | 0.019 | 0.023 | 0.032 | 0.029 |
GM2 | 1.338 | 1.382 | 1.858 | 1.898 |
GM3 | 0.132 | 0.116 | 0.115 | 0.112 |
GM4 | 0.062 | 0.069 | 0.137 | 0.147 |
GM5 | 0.063 | 0.057 | 0.066 | 0.080 |
GM6 | 0.012 | 0.010 | 0.022 | 0.012 |
GM7 | 0.027 | 0.020 | 0.046 | 0.034 |
均值 | 0.236 | 0.240 | 0.325 | 0.330 |
为研究风荷载作用对震损结构损伤最大构件损伤发展的影响,提取了PGA为10 m/

图11 GM2地震动单独作用和地震、风先后作用下33层梁L18损伤值
Fig.11 Damage values of beam L18 at the 33rd story under GM2 ground motion action alone and under successive action of earthquake and wind
本文分析了PGA为4、5.88、8和10 m/
(1)在地震单独作用和地震‑风同时作用下,与荷载输入方向一致的支撑筒梁均先受损,且结构最大损伤构件均为支撑筒连梁L18。
相较地震单独作用,地震‑风同时作用增大了柱的损伤,使31层柱最大损伤值增大了15.7%~78.6%。地震单独作用和地震‑风同时作用下,随着地震动强度的增大,支撑筒柱相较外框架柱损伤发展更快。
相较地震单独作用,地震‑风同时作用增大了结构整体损伤值。PGA为10 m/
(2)在地震、风先后作用下,50年重现期风荷载作用增大了PGA为8和10 m/
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