組合空間鋼管拱桁架結(jié)構(gòu)在地震下的動力響應(yīng)

景旭東 閆建勇

0 引言

鋼管拱桁架結(jié)構(gòu)因其造型美觀、受力明確、施工方便,被廣泛應(yīng)用于大型的體育場館、會展中心等建筑的屋面結(jié)構(gòu)。目前對拱桁架結(jié)構(gòu)在地震作用下尤其是在強(qiáng)震作用下的抗震性能的研究尚處于初級階段,因此,對作為災(zāi)后避難場所的大跨空間結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力響應(yīng)研究,具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 模型的簡化與選取

本文首先運(yùn)用3D3S鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件,建立拱桁架合理的結(jié)構(gòu)模型。

1.1 有限元模型

所采用的三角形鋼管拱桁架結(jié)構(gòu)有限元分析模型如圖1所示,跨度110 m(下弦桿件的成弧半徑為48 m),橫截面為倒三角形,最大三角形截面寬 a=2.0,高 h=2.0 m。桿件截面采用φ 159×8對應(yīng)拱桁架的所有弦桿,φ 83×6對應(yīng)斜腹桿,φ 70×6對應(yīng)連接桁架的腹桿,結(jié)構(gòu)桿件數(shù)共計(jì)為1173,節(jié)點(diǎn)數(shù)為419。拱架兩端共8個點(diǎn)所加的約束均為三向不動鉸支座。

1.2 荷載取值

根據(jù)GB 50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范,結(jié)合工程實(shí)際,設(shè)計(jì)時的荷載標(biāo)準(zhǔn)值如下:將屋面恒載、屋面活載折算成集中力,加在從跨中向兩邊分布的58個下弦節(jié)點(diǎn)上,按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求得到桿件截面。

1.3 單元類型

在計(jì)算時所有的桿件均選Pipe20單元,用質(zhì)量單元Mass21模擬簡化后屋面荷載,并加在從跨中向兩邊分布的58個下弦節(jié)點(diǎn)上,對應(yīng)的集中質(zhì)量為890 kg。

1.4 材料模型

材料選用Q235鋼,本構(gòu)關(guān)系假定為雙線形隨動強(qiáng)化(Bilinear Kinematic Hardening)彈塑性材料模型,密度為7850 kg/m3,彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3,屈服強(qiáng)度為235 MPa,切線模量為6.18 GPa。

2 研究的結(jié)果與分析

在進(jìn)行地震作用下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)研究時,選取如圖1所示的組合空間鋼管拱桁架為研究對象,沿三向輸入EL Centro地震波進(jìn)行計(jì)算,時間步長為Δt=0.02 s,計(jì)算持時為7 s。改變所選的地震波的峰值大小,分別計(jì)算該結(jié)構(gòu)的非線性動力響應(yīng),根據(jù)其動力響應(yīng)的變化規(guī)律揭示地震作用下該結(jié)構(gòu)的動力性能特點(diǎn)。

2.1 三向EL Centro地震波作用下的動力響應(yīng)

2.1.1 動力響應(yīng)的過程

當(dāng)加速度峰值由400 gal增至1800 gal時,模型結(jié)構(gòu)的最大位移由0.3224 m增到3.2836 m。當(dāng)加速度峰值很小時,位移幅值與加速度幅值基本呈線性變化,但在荷載增量相同的情況下,加速度峰值由1500 gal變成1800 gal時,特征節(jié)點(diǎn)的位移由1.3812 m突然變成3.2836 m。根據(jù)B-R準(zhǔn)則,該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定臨界荷載介于1500 gal～1800 gal之間。加速度峰值與最大位移曲線見圖2中的沿三向輸入地震波時所得的那一條曲線。

2.1.2 特征節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)

表1 各加速度峰值下特征節(jié)點(diǎn)的最大位移值

表1給出了特征節(jié)點(diǎn)在各加速度峰值下的最大位移值。根據(jù)結(jié)構(gòu)的特征點(diǎn)位移時程曲線可以看出各特征點(diǎn)位移響應(yīng)的一個共同的規(guī)律:當(dāng)加速度峰值小于臨界荷載時,節(jié)點(diǎn)以初始位置為平衡位置進(jìn)行振動,隨著加速度峰值的增大,平衡位置逐漸偏移,但節(jié)點(diǎn)的位移并不發(fā)散。當(dāng)加速度峰值超過臨界荷載時,節(jié)點(diǎn)位移就發(fā)散了。

2.2 地震波的輸入方向的影響

表2列出了各算例中特征節(jié)點(diǎn)的最大位移值。

由沿不同方向輸入EL Centro波時的加速度峰值—最大位移關(guān)系曲線可以看出:當(dāng)?shù)卣鸩ㄑ?X向、Z向、三向分別輸入時,結(jié)構(gòu)的動力穩(wěn)定臨界加速度峰值相差很大,其中沿X向輸入時的動力臨界荷載為4000 gal;沿 Z向輸入時的動力臨界荷載為3000 gal;沿三向輸入時的動力臨界荷載為1500 gal。但是不管是沿哪個方向輸入地震波所引起的結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)總是在Z向的負(fù)方向。

表2 特征節(jié)點(diǎn)的最大位移值

當(dāng)?shù)卣鸩ㄑ豖向、Z向、三向分別輸入時,結(jié)構(gòu)的變形圖如圖3所示。

3 主要結(jié)論

1)當(dāng)?shù)卣鸬募铀俣确逯递^小時,結(jié)構(gòu)的特征響應(yīng)隨加速度的增加呈線性增加;當(dāng)加速度峰值繼續(xù)增加,結(jié)構(gòu)的部分桿件進(jìn)入塑性,整個結(jié)構(gòu)的振動平衡位置躍遷;當(dāng)加速度峰值增大到臨界荷載時,主桁架中部的桿件變形嚴(yán)重,結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)。

2)當(dāng)沿不同方向輸入地震波時,X向輸入時臨界荷載最高;三向輸入時臨界荷載最低;Z向(豎向)輸入時較高。因此在實(shí)際的設(shè)計(jì)中,對大型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時,要多方向輸入地震波,以求的較可靠的臨界荷載。

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