對開合屋蓋結構碰撞響應減振的分析

高利軍

(張家口市第一建筑工程有限公司，河北張家口075000)

1 引言

對于現代的空間結構來說，跨度越來越大，節點越來越多，振型和頻率也更加密集.尤其是體育館的開合屋蓋體系在發生碰撞的時候，響應的過程和動力特性較為復雜.

對研究專注于結構所受到的荷載尤其是開合過程中的碰撞荷載.本文應用LS－DYNA這種通用顯式動力分析程序，建立有限元模型，模擬開合屋蓋之間的碰撞，較為全面的分析了發生碰撞的過程中如何通過減振來進行控制.

2 計算實例及分析

2.1 模型的建立

模型采用模擬開合屋蓋結構，模型的縱向長度是80m，長跨比是0.42，高厚比是0.03.屋蓋的結構形式采用目前我國常見的正放四角錐的網格結構，螺栓球節點連接，受力形式是下弦受力，材料采用鋼管桁架.鋼管所用鋼材為通用的Q235鋼材的彈性模量是N/mm2，密度是7900kg/m3.由于螺栓球節點會對結構受力產生一定影響，考慮這個因素，人為的將鋼材的分布密度擴大為原來的1.1倍.整個結構的假設為四邊固定鉸支座的邊界條件.空間網格結構的設計采用TWCAD3.0軟件，開合屋蓋結構碰撞過程采用LS－DYNA軟件進行模擬.

2.2 阻尼桿布置位置方案選取

開合屋蓋結構的碰撞響應是對其制定控制方案的基礎.研究發現布置粘彈性阻尼桿件的重點是在網格結構發生較大位移的地方布置粘彈性阻尼構件，通過這種方式目的是減小開合屋蓋體系在發生較大振動的時候受到的內力和位移.由此可見，必須先分析開合屋蓋體系在受到不同荷載作用情況下和未受到人為控制時結構關鍵點發生位移的相互比較，這樣才能發現開合屋蓋結構中布置粘彈性阻尼構件正確的位置.

要想分析開合屋蓋體系在不同荷載作用下發生碰撞時，構件節點出現位移的分布情況，必須在網格的上弦節點(1－96號)和下弦節點(97－173號)選擇具有代表性的桿件，通過軟件分析，得到在網格體系中未施加粘彈性阻尼構件發生碰撞時，結構上下弦節點的最大位移，如圖1所示.

通過對圖1的分析，得到構件上下弦節點的位移可以按照水平坐標進行分類，和開合屋蓋體系前進方向相同的節點的位移區別很小，但是不同列的節點位移區別很大.這些特性，對于在體系中布置阻尼桿件非常有幫助，也就是說，可以把阻尼構件布置在不同列的節點間.

現在國際比較流行的做法是在整個體系中布置外加的粘彈性阻尼構件.本文的研究是在2個構件節點間布置三種外加的粘彈性阻尼構件.第一種是每隔一列，把阻尼布設在構件的上弦節點;第二種是每隔一列，把阻尼布設在構件上弦和下弦節點連線的對角線上;第三種是每隔一列，把阻尼布設在構件下弦節點連線的對角線上.構件上的阻尼所用的參數是參考文獻［1］選取K=6χ105kN/m，C=1χ105kN·s/m.

上弦，下弦節點位移比較如圖所示:

由以上各圖，非常明顯的得出，如果構件的阻尼數量是一樣的，每隔一列，把阻尼布設在構件上弦和下弦節點連線的對角線上，是對減小各個構件節點相對位移效果最好的，主要原因是因為采用第二種方式布置，構件的阻尼其兩端之間的相對位移是最大的.

2.3 阻尼桿布置數量方案選取

由上面的研究結果，假設采用第二種方案設為最佳方案.為了保證在這種情況下的阻尼構件都設置在了整個體系的關鍵部位，沒有多余的浪費，必須再選擇其他方案來進行比較.最終可以得出，整個體系的中間部分節點和發生碰撞時的位置比較接近的節點位移最大，這樣，在實際應用當中可以將原始方案中設置在體系兩側的阻尼構件減掉一半，只留一半構件的方案稱為方案1;將原始方案中設置在體系發生碰撞位置的構件減掉一半，這種方案稱為方案2;原始方案稱為方案3.

阻尼數量不同時，各桿件內力比較如圖所示:

2.4 結論

由以上全跨度布置阻尼桿與邊跨未布置阻尼桿及全跨度布置阻尼桿與前半部分布置阻尼桿各桿件內力比較圖可以得出以下幾點結論:

1)對于控制整個體系中各個構件發生碰撞時的內力，以上的幾種方案效果都較好，但是方案1、2所用的阻尼桿件只有一半，所以在節省成本方面，方案1、2比較合理.

2)方案3在上弦桿件中(50－100號)，即和碰撞方向垂直構件的內力達到了最大值，原因是附加的阻尼構件數量較多，導致整個體系的剛度增大.所以在內力的控制上方案1、2也比較合理.

3)從1、2兩點考慮，在開合屋蓋結構中為了控制了各桿件在碰撞作用下的內力，粘彈性阻尼桿布置的位置及數量都有一定的規律.可動屋蓋中左右兩側的位置以及遠離碰撞接觸面位置的桿件碰撞響應較小，在實際的工程應用中，這兩個位置的阻尼構件數量可以減少或者不設.因為根據2點中的結論，阻尼構件數量過多，會導致整個體系的剛度增大，增加構件發生碰撞時候的內力.

3 結束語

本文根據工程實例建立的模型進行計算分析，通過粘彈性阻尼器在結構中布置的不同位置以及不同數量下的節點位移、桿件內力比較，得出了效果顯著且經濟的阻尼桿件布置方案并總結了規律，對開合屋蓋結構碰撞響應減振進行了研究，為工程實踐提供參考.

［1］秦乃兵.剛性開合屋蓋結構動力相互作用及減震研究.北京工業大學博士學位論文，2006

［2］管軍，顧大強，段福斌.移動屋蓋開合機械的設計方法.機械設計與研究，2004，5

［3］董石麟，沈祖炎，嚴慧.新型空間結構論文集.浙江大學出版社，1997