協(xié)同工作對(duì)張弦桁架抗震的影響范文

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《空間結(jié)構(gòu)雜志》2014年第二期

1計(jì)算模型和基本參數(shù)

有限元模型三維和立面圖分別如圖3和圖4所示．其中張弦桁架縱向?yàn)閄向，橫向?yàn)閆向，豎向?yàn)閅向．分析計(jì)算中，鋼索分成了12段，采用LINK10單元，上下弦桿視為連續(xù)梁，使用BEAM188單元．根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》4．1．4條規(guī)定，每榀張弦桁架上弦桿之間的腹桿采用BEAM188單元，其他的腹桿和撐桿都采用LINK8單元．屋面檁條使用BEAM188單元，通過(guò)耦合自由度的方式跟弦桿鉸接．下部結(jié)構(gòu)的梁、柱都采用BEAM188單元，通過(guò)耦合同一片樓板處的所有節(jié)點(diǎn)的自由度Ux，Uy，Rotz來(lái)考慮剛性樓板的作用［7］．計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)時(shí)，張弦桁架承受的豎向荷載有：馬道荷載，取0．2kN／m2；屋面恒載（屋面板重量＋設(shè)備荷載），取0．8kN／m2；檁條和屋面水平支撐的自重，取0．4kN／m2［8］．張弦桁架結(jié)構(gòu)的自重由程序自動(dòng)計(jì)算．建筑的重力荷載代表值取結(jié)構(gòu)和構(gòu)配件自重標(biāo)準(zhǔn)值和各可變荷載組合值之和［9］．計(jì)算地震作用時(shí)把下面框架板的重量與荷載轉(zhuǎn)換成質(zhì)量單元施加在梁柱節(jié)點(diǎn)處，把馬道荷載和屋面恒載轉(zhuǎn)換成質(zhì)量施加在上弦桿節(jié)點(diǎn)處．拉索的預(yù)應(yīng)力值取600kN，采用預(yù)應(yīng)變加載模擬［10］．

2計(jì)算方法

目前在實(shí)際工程的抗震分析中，地震波的輸入通常采用一致輸入方法．這種方法假定地基是剛性的，地震發(fā)生時(shí)，基礎(chǔ)各點(diǎn)以同樣的振幅和相位振動(dòng)．對(duì)于大跨度結(jié)構(gòu)的抗震分析可以采用時(shí)程分析法、隨機(jī)振動(dòng)法和工程實(shí)用反應(yīng)譜法［11］．本文采用時(shí)程分析法進(jìn)行地震響應(yīng)分析。計(jì)算時(shí)選用典型的分別適應(yīng)一至三類場(chǎng)地的遷安波、Taft波和El－Centro波，輸入的X向、Y向和Z向的峰值比例分別為1．72∶1．27∶1、1．62∶1．73∶1和1．80∶1．23∶1，地震波時(shí)長(zhǎng)為30s，時(shí)間間隔為0．02s，按三維輸入．計(jì)算中采用粘滯阻尼理論來(lái)描述阻尼，屋蓋單獨(dú)模型的阻尼比取0．02，根據(jù)鋼和混凝土對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的貢獻(xiàn)率，整體模型的阻尼比取0．03．計(jì)算時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性．

3計(jì)算結(jié)果和分析

以代表性的中間兩榀中的一榀張弦桁架的計(jì)算結(jié)果來(lái)進(jìn)行比較分析．

3.1自振特性的比較分析屋蓋單獨(dú)模型的前21階自振頻率及前6階振型分別如表1和圖5所示．整體模型的前21階自振頻率及前8階振型分別如表2和圖6所示．由表1可以看出，不考慮下部框架結(jié)構(gòu)協(xié)同工作的情況下，結(jié)構(gòu)的自振基頻在0．97Hz左右．由圖5可見(jiàn)，它的前6階振型都是以不同榀或者多榀桁架組合的繞張弦桁架縱向轉(zhuǎn)動(dòng)的振動(dòng)為主，直到第7振型才是張弦桁架的整體豎向振動(dòng)，豎向振動(dòng)為主的振型的頻率相對(duì)繞縱向轉(zhuǎn)動(dòng)的振型的頻率出現(xiàn)了跳躍．由表2可以看到，考慮下部結(jié)構(gòu)模型的前21階自振頻率比較集中，結(jié)構(gòu)基頻同樣在0．97Hz左右，前21階自振頻率分布在在0．96Hz到2．02Hz之間．同階振型下，整體模型的自振頻率比屋蓋單獨(dú)模型小，隨著階數(shù)的增大，兩者的差別越加明顯．根據(jù)圖6給出的自振情況來(lái)看，整體結(jié)構(gòu)的前6階振型也是以張弦桁架繞其縱向轉(zhuǎn)動(dòng)的振動(dòng)為主，直到第7振型才是以張弦桁架的整體振動(dòng)為主，并伴隨著結(jié)構(gòu)整體沿X方向的大幅度振動(dòng)．由于下部結(jié)構(gòu)的剛度較大，前幾階振型下部結(jié)構(gòu)參與振動(dòng)的成分比較?。梢?jiàn)，在考慮下部框架協(xié)同工作的情況下，下部支承結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作會(huì)使下部結(jié)構(gòu)參與振動(dòng)，參與的程度與下部結(jié)構(gòu)的剛度有關(guān)．綜上可見(jiàn)，在考慮下部框架結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作后，鋼屋蓋的邊界約束減弱，使結(jié)構(gòu)的自振頻率減小，但對(duì)張弦桁架低階振型的影響不大．

3.2下弦桿跨中節(jié)點(diǎn)水平加速度比較分析整體模型和屋蓋單獨(dú)模型在三種地震波作用下的下弦桿跨中節(jié)點(diǎn)X向加速度響應(yīng)峰值和Z向加速度峰值見(jiàn)表3．由表3可見(jiàn)，在El－Centro波、遷安波和Taft波作用下，與屋蓋單獨(dú)模型相比，考慮了下部結(jié)構(gòu)協(xié)同工作的整體模型X方向加速度峰值分別增大556．33％、122．24％和217．93％，Z方向加速度峰值分別增大60．01％、減小21．31％和5．30％．由此可知，在考慮下部框架結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作下，支承張弦桁架的下部結(jié)構(gòu)的柱端變形和下部結(jié)構(gòu)質(zhì)量的慣性作用，使張弦桁架的水平地震加速度響應(yīng)發(fā)生了極大的改變．

3.3下弦梁跨中節(jié)點(diǎn)豎向位移分析比較El－Centro波、遷安波和Taft波作用下，整體模型和屋蓋單獨(dú)模型的下弦桿跨中節(jié)點(diǎn)的豎向位移地震響應(yīng)時(shí)程曲線分別如圖7（a）、（b）、（c）所示．計(jì)算結(jié)果表明，在El－Centro波、遷安波和Taft波作用下整體模型下弦跨中節(jié)點(diǎn)的豎向地震響應(yīng)峰值分別為396．15mm、395．75mm和396．01mm，屋蓋單獨(dú)模型則分別為431．03mm、428．66mm和429．16mm．在這三種地震波作用下，整體模型的豎向位移地震響應(yīng)峰值分別比屋蓋單獨(dú)模型小了8．09％、7．68％和7．72％．對(duì)比相同地震波作用下的整體模型和屋蓋單獨(dú)模型的豎向位移地震響應(yīng)可知，屋蓋單獨(dú)模型的豎向位移地震響應(yīng)的衰減速度明顯比整體模型快．由此可見(jiàn)，下部結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作使張弦桁架豎向位移的地震響應(yīng)明顯減小，但位移響應(yīng)的衰減速度變慢．

3.4上下弦桿最大軸力地震響應(yīng)對(duì)比分析El－Centro波、遷安波和Taft波作用下，各取整體模型和屋蓋單獨(dú)模型跨邊和跨中處的3根上弦桿和下弦桿為分析比較對(duì)象，它們的地震響應(yīng)最大軸力分別如表4、表5和表6所示．表中，Nu1和Nd1分別是上下弦整體模型的計(jì)算結(jié)果，Nu2和Nd2分別是上下弦屋蓋單獨(dú)模型的計(jì)算結(jié)果，單元號(hào)一欄中／號(hào)后面的表示是下弦桿單元編號(hào)．由表4～表6數(shù)據(jù)對(duì)比可見(jiàn)，在地震波作用下，邊跨處整體模型的弦桿受到的軸力比單獨(dú)屋蓋模型大，上弦桿的軸力值明顯增大；但是其他位置整體模型的最大軸力值卻比單獨(dú)屋蓋模型小，下部框架結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作使靠近跨中處的弦桿在地震作用下受到的軸力明顯減?。?/p>

3.5索應(yīng)力最大地震響應(yīng)分析比較分析在三種不同的地震波作用下，整體模型和單獨(dú)屋蓋模型的索應(yīng)力峰值都在初始時(shí)間點(diǎn)處取得，因此整體結(jié)構(gòu)和屋蓋單獨(dú)結(jié)構(gòu)的索應(yīng)力峰值受不同地震波作用的影響極小，這里只用El－Centro波作用下的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析．整體模型和屋蓋單獨(dú)模型的索應(yīng)力峰值分別如表7所示，表中索單元的編號(hào)見(jiàn)圖1，其中σ1是整體模型的索應(yīng)力地震響應(yīng)最大值，σ2為屋蓋單獨(dú)模型的索應(yīng)力最大值．由表7可見(jiàn)，下部結(jié)構(gòu)協(xié)同工作下的張弦桁架每段索的應(yīng)力地震響應(yīng)最大值與屋蓋單獨(dú)模型的比值都為1．001．由此可見(jiàn)，下部框架結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作對(duì)張弦桁架拉索應(yīng)力的地震響應(yīng)影響極?。?/p>

4結(jié)論

本文利用ANSYS軟件，選用遷安波、Taft波和El－Centro波，利用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析法分別分析了整體模型和屋蓋單獨(dú)模型張弦桁架結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，詳細(xì)對(duì)比了有無(wú)下部框架結(jié)構(gòu)協(xié)同工作下，結(jié)構(gòu)的自振特性、下弦跨中節(jié)點(diǎn)的水平加速度和豎向位移的地震響應(yīng)、上下弦桿軸力和拉索應(yīng)力的地震響應(yīng)，得出如下結(jié)論：（1）在考慮下部框架結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作后，鋼屋蓋的邊界約束減弱，使得結(jié)構(gòu)的自振頻率減小，但對(duì)張弦桁架低階振型的影響不大．（2）下部框架結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作極大程度上改變了張弦桁架的水平加速度地震響應(yīng)．（3）下部框架結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作使張弦桁架豎向位移的地震響應(yīng)明顯減小，但位移響應(yīng)的衰減速度變慢．（4）下部框架結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作使邊跨處弦桿在地震作用下的軸力增大，但使靠近跨中的弦桿軸力明顯減小，對(duì)鋼索應(yīng)力的影響極?。?/p>

作者：王和朋徐忠根陳榮毅單位：廣州大學(xué)土木工程學(xué)院廣州市重點(diǎn)公共建設(shè)項(xiàng)目管理辦公室