某碼頭進港大門網架結構的譜響應分析

宋曉峰，劉亞歡

（天津市頤和城市建筑設計有限公司，天津 300191）

某碼頭進港大門網架結構的譜響應分析

宋曉峰，劉亞歡

（天津市頤和城市建筑設計有限公司，天津 300191）

文章以某碼頭進港大門網架結構為研究對象，建立空間計算模型，并應用通用結構有限元分析程序進行該網架的自振特性及譜響應分析。結果表明，結構的自振以整體振型為主；結構的地震響應沿平面對稱；結構在地震作用沿Y軸方向輸入時的響應最大；網架的支座處及網架邊緣處最薄弱。

網架；有限元分析；譜響應分析

1 工程概況及計算模型

近年來，隨著經濟飛速發展，人民生活水平不斷提高，單純使用功能的進出港收費站大門已經不能滿足人們對審美的要求。于是，帶有景觀功能的收費站大門便應運而生。這些收費站大門大都造型新穎、奇特，它們的安全性能，尤其是在特殊情況（如，地震）下的安全性能成為一個重要問題。文章采用通用結構有限元程序研究某碼頭進港大門網架結構（見圖1）的動力特性和響應，為該工程提供計算依據。

圖1 收費站大門正立面、側立面圖

該大門結構設防烈度為7度（0.15 g），Ⅲ類場地。頂部的網架采用雙層四角錐網架結構，下部為10根由4根300×300×10×15工字型鋼組成的格構式柱。該結構計算跨度15 m，總高度10.35 m。材料選用Q235熱軋無縫鋼管。網架采用φ48×3.5和φ76×4.0熱軋無縫鋼管。在有限元計算中，所有桿件均采用桿單元，彈性模量E=2.06e11 N／m2。結構在10個柱腳處采用固定支承。模型中網架部分共有7 488個單元，1 935個節點。有限元模型見圖2。

圖2 結構有限元模型計算簡圖

2 計算結果及分析

2.1 結構自振特性分析

文章采用分塊Lanczos法對該結構的自振頻率和振型進行計算。計算中，考慮前20階振型。前10階振型的頻率見表1，前4階振型圖見圖3。

表1 結構前10階振型特征

圖3 結構前4階振型圖

由表1和圖3可知，該結構振型以整體振型為主，第1振型為扭轉，第2、3振型為平動，說明該結構的剛度分布不均勻，網架部分剛度較大。同時可以看出，結構剛度較大，變位較小。

2.2 反應譜分析

根據《建筑抗震設計規范》（GB50011——2001）（2008年版）規定，7度（0.15 g）地區多遇地震下的水平地震影響系數最大值為0.12，Ⅲ類場地第一組的特征周期值為0.45 s，結構的阻尼比取0.02。模態采用平方和求平方根法（SRSS法），取前20階振型進行組合。地震作用輸入方向分別考慮X、Y、Z，3個坐標軸方向分別輸入3種情況。

圖4 沿X方向輸入位移圖(3 000倍)

圖5 沿X方向輸入軸力圖（網架部分）

圖6 沿X方向輸入鋼柱彎矩圖（ⅰ ⅱ ⅲ）

2.2.1 沿X軸方向輸入地震作用

大門網架結構在地震作用沿X軸方向輸入時的位移響應以X軸方向為主（見圖4）。其中X軸方向最大位移發生在網架上弦右邊緣中部的1 837節點，其值為0.91 mm，是結構跨度的1／16 484。

由結構的軸應力與彎矩圖（圖5、圖6）可知，結構網架部分的內力響應以軸力為主，最大軸力發生網架支座處的單元3 822處，其值為1.31 kN。結構格構式柱部分的內力響應以彎矩為主，其中，繞X軸最大彎矩為0.134 kN·m；繞Y軸最大彎矩為2.402 kN·m；繞Z軸最大彎矩為0.021 kN·m。

2.2.2 沿Y軸方向輸入地震作用

圖7 沿Y方向輸入位移圖（3 000倍）

圖8 沿Y方向輸入軸應圖（網架部分）

圖9 沿Y方向輸入鋼柱彎矩圖（ⅰ ⅱ ⅲ）

大門網架結構在地震作用沿Y軸方向輸入時的位移響應以Y軸方向為主（見圖7）。其中Y軸方向最大位移發生在網架上弦左邊緣角部的1897節點，其值為1.16 mm，是結構跨度的1／12 931。

由結構的軸應力與彎矩圖（見圖8、圖9）可知，結構網架部分的內力響應以軸力為主，最大軸力發生網架支座處的單元372處，其值為1.29 kN。結構格構式柱部分的內力響應以彎矩為主，其中，繞X軸最大彎矩為1.951 kN·m；繞Y軸最大彎矩為0.243 kN·m；繞Z軸最大彎矩為0.031 kN·m。

2.2.3 沿Z軸方向輸入地震作用

圖10 沿Z方向輸入位移圖

圖11 沿Z方向輸入軸應圖（網架部分）

大門網架結構在地震作用沿Z軸方向輸入時的位移響應以Z軸方向為主（見圖10）。其中，Z軸方向最大位移發生在網架上弦右邊緣角部的1 935節點，其值為0.32 mm，是結構跨度的1／46 875。

由結構的軸應力與彎矩圖（圖11、圖12）可知，結構網架部分的內力響應以軸力為主，最大軸力發生網架支座處的單元4 180處，其值為0.572 kN。結構格構式柱部分的內力響應以彎矩為主，其中，繞X軸最大彎矩為0.150kN·m；繞Y軸最大彎矩為0.143kN·m；繞Z軸最大彎矩為0.026 kN·m。

圖12 沿Z方向輸入彎矩圖（ⅰ ⅱ ⅲ）

3 結論

通過對該進港大門網架結構的地震響應分析，可得如下結論：

（1）計算結果表明，該結構的自振以整體振型為主。

（2）通過對3種輸入方式所得的結果的比較可知，地震作用沿Y軸方向輸入時，該結構的內力和位移響應最大，沿Z軸方向輸入的情況下結構的響應最小。

（3）該結構在3種地震作用輸入方式下的位移及內力響應，基本都是呈現出沿中心平面對稱的情況。

（4）該結構網架部分的最薄弱截面出現在網架支座處和網架邊緣處。

（5）該結構網架部分的內力響應以軸力為主，格構式柱部分的內力響應以彎矩為主。

[1] GB 50017-2003，鋼結構設計規范.

[2] GB 50011-2001，（2008年版）建筑抗震設計規范.

[3] JGJ 7-91，網架結構設計與施工規程.

[4] 陳宇文，王衛琴.大跨度鋼管砼拱橋空間地震響應分析廣州工業大學學報，2006（6）.

[5] 郭彥林，霍鐵力.CCTV新臺址主樓抗震性能研究.建筑結構學報，2008（6）.

The Spectral Response Analysis of the Network Structure for a Pier Gate into the Port

Song Xiaofeng，Liu Yahuan

The article takes the network structure of a pier gate into the port as the research object to build a spatial calculation model,and uses the general structure of finite element analysis program for natural vibration characteristics and spectral response analysis of the grid.The result shows that the natural vibration of the structure is mainly about the overall vibration modes;the seismic response of structure is symmetry along the plane;when inputting along the Y axis,the seismic structure gets the maximum response;the bearing and the edge of grid are the most weak.

grid;finite element analysis;spectral response analysis

TU356

A

1000-8136(2011)08-0004-03