多肢圆钢管桩的抗震性能分析.pdf
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1、202310Building Construction2106多肢圆钢管桩的抗震性能分析余细东 周荣丰 钱立振 谈勋勋中建五局第三建设有限公司 湖南 长沙 410004摘要:运用大型有限元软件ANSYS建立了某项目售楼部的多肢加固圆钢管桩结构精细有限元模型。对该结构进行静力分析和模态分析,以验证有限元模型的有效性,并得到该结构的自振特性。在模态分析和反应谱分析的基础上,选用Elcentro波、Taft波对该结构进行7度(0.1g)多遇地震和罕遇地震作用下的时程分析。结果表明:该结构的结构平面布置较合理;在多遇地震单独作用下,构件均处于弹性工作状态,应力水平均较低,地震作用并非此结构设计的控制性
2、荷载;在重力荷载代表值与多遇地震、罕遇地震作用下,钢材均未进入屈服阶段,该结构抗震性能良好。关键词:多肢;圆钢管桩;模态分析;抗震性能分析中图分类号:TU755 文献标志码:A 文章编号:1004-1001(2023)10-2106-05 DOI:10.14144/ki.jzsg.2023.10.046Seismic Performance Analysis of Multi-limbs Circular Steel Pipe PilesYU Xidong ZHOU Rongfeng QIAN Lizhen TAN XunxunChina Construction Fifth Engineer
3、ing Bureau the Third Construction Co.,Ltd.,Changsha 410004,Hunan,ChinaAbstract:A detailed finite element model of a multi-limbs circular steel pipe pile structure in a sales department of a certain project is established using the large-scale finite element software ANSYS.The static and modal analys
4、is is performed on the structure to verify the effectiveness of the finite element model and obtain the natural vibration characteristics of the structure.On the basis of modal analysis and response spectrum analysis,Elcentro waves and Taft waves are selected to conduct time history analysis of the
5、structure under 7-degree(0.1 g)frequent and rare earthquakes.The results indicate that the structural plane layout of this structure is relatively reasonable;under the action of multiple earthquakes alone,the components are in an elastic working state,with low stress levels,and seismic action is not
6、 a controlling load in the design of this structure;under the representative value of gravity load and the action of frequent and rare earthquakes,the steel does not enter the yield stage,and the seismic performance of this structure is good.Keywords:multi-limbs;circular steel pipe piles;modal analy
7、sis;seismic performance analysis罕遇地震作用下,结构的变形、内力分析方法等,以期开展该结构的抗震性能评价。1 工程概况某项目售楼部位于开发地块的东北角,建筑平面呈矩形,长64.3 m,宽27 m;地上为3层钢筋混凝土框架结构,层高5.5 m;地下为5层地下室,拟开挖深度为25.5 m。由于项目开发时间紧,售楼部需要提前完工使用。为此,将售楼部框架柱设计立于基坑钢格构柱之上,格构柱底部按“一柱一桩”设置立柱桩。售楼部上部主体结构及精装修整体完工并投入使用后,其使用功能需求发生了变化,导致上部结构荷载增大,采用两肢、四肢、八肢圆钢管桩桩顶液压千斤顶进行加固卸载处理,
8、圆钢管桩规格为P245 mm12 mm,水平支撑采用10#槽钢,斜支撑采用80 mm6 mm角钢,钢材均为Q355B。圆钢管桩持力层为中粗砂夹卵砾石层,桩端进入持力层不小于0.5 m;桩全长不小于40 m,从地下室基础底板顶面悬出长度18 m;单桩承载力特征值为800 kN;圆钢管桩布置如图1、图2所示。该结构的抗震设防烈度为7度(0.1g),类场地,设目前,建筑物在改建、加固及逆作施工多层地下室过程中,或多或少存在建筑物基础(立柱)承载力不足等问题,严重影响建筑物的正常使用,需对基础(立柱)进行加固处理。常规的静压桩托换加固主要采用钢管桩、混凝土预制桩施工。在国内,已有学者研究了在不同参数情
9、况下,圆钢管柱-钢梁节点的破坏特征和抗震性能1-3以及在不同参数情况下,圆钢管柱的抗震性能4-7,但缺少对多肢圆钢管桩在水平地震作用下的反应分析研究。本文根据实际的设计施工图,运用大型有限元软件ANSYS建立了某项目售楼部的多肢加固圆钢管桩结构精细有限元模型,分别对其进行模态分析、谱分析和时程分析。结合时程分析法和振型分解反应谱法,研究该类结构抗震分析的有限元建模方法、动力特性分析以及在多遇与作者简介:余细东(1991),男,硕士,助理工程师。通信地址:湖北省武汉市武昌区绿地楚峰大厦22楼(430062)。电子邮箱:收稿日期:2023-04-07科学研究SCIENTIFIC RESEARCH建
10、筑施工第45卷第10期2107计地震分组为第1组;钢材重度取78.5 kN/m3。售楼部框架柱钢管桩格构柱承台地下部分地上部分 图1 圆钢管桩平面布置 图2 圆钢管桩托2 有限元模型的建立与验证2.1 单元类型的选择圆钢管桩、水平支撑和斜支撑均采用具备拉压、弯曲和扭转能力的三维线性有限应变梁单元Beam188来模拟。2.2 材料本构模型简化圆钢管桩、水平支撑和斜支撑的钢材选取双线性随动强化模型,钢材为理想弹塑性材料,屈服强度为355 MPa,服从von Mises屈服准则;通过ANSYS12.0自身的自由度约束功能,约束圆钢管桩基础底板顶面处所有节点全部方向的自由度,有限元仿真模型如图3所示。
11、XXXYYYZZZ(a)两肢桩(b)四肢桩(c)八肢桩图3 有限元分析模型2.3 有限元模型的验证自重按照1.3倍考虑,各圆钢管桩顶均施加轴压力800 kN;对该结构进行静力分析,以验证有限元模型的有效性。圆钢管桩、水平支撑和斜支撑位移、应力云图,如图4和图5所示。由静力分析的结果可知:1)该结构位移表现为竖向累积变形,最大位移为8.97 mm,位于桩顶处。2)该结构钢材最大应力值为103.3 MPa且小于钢材屈服强度。(a)两肢桩(b)四肢桩(c)八肢桩图4 位移云图(a)两肢桩(b)四肢桩(c)八肢桩图5 应力云图3)该结构的位移和应力均在合理范围内,有限元模型是有效的。3 模态分析和反应
12、谱分析3.1 模态分析结构的模态分析是进行结构动力性能分析的基础,将圆钢管桩承载的恒荷载(DL)和活荷载(LL)按(DL0.5LL)组合,再考虑该结构其他构件的自重,就可得到该结构的重力荷载代表值,采用Block Lanczos法进行模态分析可得到该结构的振动特性。结构前3阶振型如图6所示,结构前6阶频率如表1所示。由模态分析的结果可知:1)该结构的前3个自振周期为X、Y向的平动周期和绕Z向的扭转周期。2)该结构的第1扭转周期和第1平动周期之比,均小于0.85,满足文献8的要求。3.2 多遇地震作用下的反应谱分析正常情况下,应至少分别计算建筑结构的2个主轴方向的水平地震作用,由对应方向的抗侧力
13、构件承担对应同方 余细东、周荣丰、钱立振、谈勋勋:多肢圆钢管桩的抗震性能分析202310Building Construction2108第一振型第二振型第三振型(a)两肢桩 第一振型第二振型第三振型(b)四肢桩第一振型第二振型第三振型(c)八肢桩图6 前三阶振型表1 模型的前6阶频率振型肢数频率/Hz肢数频率/Hz肢数频率/Hz1两肢0.68四肢5.32八肢4.6024.335.946.4634.789.056.8146.2610.927.75510.4017.7610.33612.6221.2411.00 向的水平地震作用效应9。该结构在7度(0.1g)多遇地震作用时,采用振型分解反应谱法
14、,阻尼比为0.04,水平地震影响系数最大值取0.08,特征周期取0.35 s8。反应谱采用单点单向输入,输入点为结构的底部,分别沿水平X和Y方向输入。在振型分解反应谱法计算中,各阶振型效应组合按平方和开平方法(SRSS法)。由反应谱分析的结果(表2)可知:表2 模型的最大应力、最大位移(反应谱法)肢数X向反应谱Y向反应谱最大应力/MPa最大位移/mm最大应力/MPa最大位移/mm两肢3.851.145.0419.36四肢4.891.183.060.89八肢3.380.714.501.721)该结构在单向反应谱作用下,与其同向的水平位移随着高度的增大而增加,最大水平位移均发生在桩顶。2)该结构在
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