节点连接方式对钢管混凝土结构性能的影响

（河海大学 水利水电学院，江苏 南京 ２１００９８）
摘要：基于某水电站厂房钢管混凝土排架结构受力特点和变形规律，建立了包括上下部结构的 整 体 机 组 段 三
维精细有限元分析模型，利用 ＡＤＩＮＡ 的约束方程分析了钢管混凝土排架结构与上部屋 顶 和 吊 车 梁 不 同 连 接
方式对排架结构受力性能的影响，并 采 用 振 型 分 解 反 应 谱 法 研 究 了 不 同 连 接 方 式 下 对 排 架 结 构 动 力 特 性 的
（２）
式中，Ｕｋ 为 隶 属 节 点 的 一 个 自 由 度；βｊ 为 自 由 度
控制因子，取值为１；Ｕｊ为相 应 控 制 隶 属 节 点 的 主
节点自由度。
式 （１）为 第 １ 种 基 本 约 束 形 式 ，它 是 指 隶 属 节
点的某个自由度可通过约束的主节点自由度的组
合来计算求得，可实现隶属节点 自 由 度Ｕｋ随 主 节 点自由度Ｕｊ的变 化 而 变 化；式 （２）为 第 ２ 种 基 本 约束形式，一般的约 束 （无 隶 属 节 点）均 可 描 述 为
钢筋混凝土结构 构 件 的 抗 震 设 计 过 程 中，当 采 用
动力法计算地震 作 用 效 应 时，应 对 地 震 作 用 效 应
进 行 折 减 ，折 减 系 数 可 取 为 ０．３５。
ｙ 轴、竖 向 为ｚ 轴，机 组 段 底 部 为 固 定 约 束，整 体 三维有限元网格和排架柱吊车梁三维有限元网格 见 图 ２。
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水 电 能 源 科 学 ２０１２ 年
ｍ
槡∑ ＳＥ ＝
Ｓｉ２
ｉ＝１
（４）
式中，ＳＥ 为地 震 作 用 效 应；ｍ 为 计 算 所 采 用 的 振
型数；Ｓｉ为第ｉ 阶振型地震作用效应。
根据《水工 建 筑 物 抗 震 设 计 规 范》［８］要 求，在
为重力加速度；δ０ｉ 为第ｉ 阶振型向量。
计算地震作用 效 应 时，由 各 阶 振 型 的 地 震 作
用 效 益 按 平 方 和 方 根 法 组 合 ，即 ：
收 稿 日 期 ：２０１１－０８－０８，修 回 日 期 ：２０１１－１０－１１ 作 者 简 介 ：李 龙 仲 （１９８６－），男 ，硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向 为 水 工 结 构 抗 震 分 析 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｌｚ１９８６０７１０＠１６３．ｃｏｍ
２ 计算模型和材料参数
２．１ 计 算 模 型 选取某水电站厂房＃２机组段，其机 组 段 平 面
图见图１。主厂 房 尺 寸 为 ７１．５０ ｍ×２４．１０ ｍ× ４８．１０ ｍ（长 × 宽 × 高 ）。＃２ 机 组 段 平 面 尺 寸 为 ２４．１０ｍ×１９．４０ｍ。排架 柱 的 上、下 柱 高 分 别 为 ８．２、１０．２ ｍ，上、下 游 排 架 柱 间 距 分 别 为 ７．２０、 ７．０５ ｍ。 排 架 柱 尺 寸 ：下 柱 长 １ ７５０ ｍｍ，宽１ １００ ｍｍ，长边 钢 管 厚 １２ ｍｍ，宽 边 钢 管 厚 ２２ ｍｍ；上 柱长 １ １００ ｍｍ，宽 １ １００ ｍｍ，长 边 钢 管 厚 １２ ｍｍ，宽边钢 管 厚 ２２ ｍｍ。 整 体 模 型 中 屋 顶 采 用 彩 钢 网 架 ，吊 车 梁 为 箱 形 钢 结 构 ，高 １ ５００ ｍｍ，宽 ６００ ｍｍ，腹 板 厚 １２ ｍｍ，翼 缘 厚 ２２ ｍｍ。
１ 理论分析与方法
１．１ 约 束 方 程 真实模拟钢管混凝土构件间的连接方法是分
析结 构 体 系 受 力 性 能 的 重 要 内 容，本 文 采 用 ＡＤＩＮＡ的约束 方 程 来 实 现。 其 约 束 方 程 提 供 两 种基本约束形式，即 ： ［６］

∑ Ｕｋ ＝ βｊＵｊ ｊ
（１）
∑βｊＵｊ ＝０ ｊ
反应谱求出结构各振型的最大绝对加速度向量、
最大相对速度向量和最大相对位移向量［７］分别为：
¨δｍａｘｉ ＝ηｉβｉｋｇδ０ｉ δｍａｘｉ ＝ηｉβｉｋｇ／ωｉδ０ｉ
δｍａｘｉ ＝ηｉβｉｋｇ／ωｉ２δ０ｉ
（３）
式中，ηｉ 为结构第ｉ 阶振型 的 振 型 参 与 系 数；βｉ 为
第ｉ 阶振型 相 应 动 力 放 大 系 数；ｋ 为 地 震 系 数；ｇ
影响。研究方法与结果可为工程设计提供参考。
关 键 词 ：节 点 连 接 方 式 ；钢 管 混 凝 土 ；约 束 方 程 ；强 度 ；刚 度 ；地 震 反 应 ；ＡＤＩＮＡ
中 图 分 类 号 ：ＴＶ７３１
文 献 标 志 码 ：Ａ
钢管混凝土结构是将混凝土填入钢管内而形 成的一种新型组 合 结 构，可 更 有 效 地 发 挥 钢 材 和 混凝土两种材料 的 各 自 优 点，即 钢 管 对 其 内 部 混 凝土 的 约 束 作 用 使 混 凝 土 处 于 三 向 受 压 状 态［１，２］，提高了混凝 土 的 抗 压 强 度，而 钢 管 内 部 的 混凝土 又 可 有 效 地 防 止 钢 管 发 生 局 部 屈 曲 。 ［３，４］ 因此，近年来对钢 管 混 凝 土 理 论 和 试 验 的 研 究 越 来越多，其应 用 也 日 益 广 泛。 但 目 前 对 钢 管 混 凝 土构件之间 连 接 方 式 的 研 究 成 果 较 少。 鉴 此，本 文针对某水电站厂房钢管混凝土排架柱与厂房屋 顶 和 吊 车 梁 等 上 部 结 构，采 用 大 型 有 限 元 软 件 ＡＤＩＮＡ 中的约束方程 技 术 模 拟 了 固 定 铰 支 和 活 动铰支 等 ［５］ 连 接 方 式，研 究 了 不 同 连 接 方 式 下 厂 房上部结构的静动位移和应力变化规律及其对厂 房 结 构 强 度 、刚 度 及 地 震 反 应 的 影 响 。
这种形式，可 通 过 拉 格 朗 日 乘 子 法 施 加。 本 文 采
用 式 （１）实 现 屋 顶 、吊 车 梁 与 排 架 柱 结 构 的 活 动 铰 支和固定铰支。其中，活动铰支 时Ｕｋ取 铰 接 的 隶 属节点自 由 度，Ｕｊ取 铰 接 的 主 节 点 自 由 度；固 定 铰支时Ｕｋ取隶属节点的所有自由度，Ｕｊ取 主 节 点 的所有自由度。
１．２ 反 应 谱 法
振型分解反应谱法是在振型叠加法的基础上
推导出的一种近 似 方 法，其 优 点 是 可 直 接 利 用 标
准的设计反应谱，避 免 了 选 择 地 震 加 速 度 记 录 的
困难。求结构的 地 震 反 应 时，先 求 出 结 构 的 若 干
个低阶振型和周 期，根 据 求 得 的 周 期 并 利 用 设 计
第３０卷 第１期 ２ ０ １ ２ 年 １ 月
文 章 编 号 ：１０００－７７０９（２０１２）０１－０１６５－０５
水 电 能 源 科 学 Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ
Ｖｏｌ．３０ Ｎｏ．１ Ｊａｎ．２ ０ １ ２
节点连接方式对钢管混凝土结构性能的影响研究
李龙仲，张燎军，张汉云，胡 森