球節(jié)點剛度對單層柱面網(wǎng)殼地震響應(yīng)影響隨PGA變化的規(guī)律

摘要：已有研究發(fā)現(xiàn)單層柱面網(wǎng)殼焊接空心球節(jié)點剛度對結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有一定影響，為了解此影響隨PGA（地震動峰值加速度）變化的規(guī)律，對相同尺寸的單層柱面網(wǎng)殼精細化模型和常用模型進行了地震響應(yīng)對比分析。其中精細化模型是按照空心球節(jié)點和鋼管桿件的實際尺寸建立的殼單元模型；常用模型采用梁單元建模，不考慮球節(jié)點。改變PGA后，對比2種模型相同位置節(jié)點的位移時程曲線可以看到：隨著PGA的增加，精細化模型與常用模型的節(jié)點位移響應(yīng)差值越來越大；PGA超過結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)臨界值后，隨著PGA的增加，加大精細化模型節(jié)點壁厚對提高結(jié)構(gòu)抗失穩(wěn)能力的作用越來越小。

關(guān)鍵詞：單層柱面網(wǎng)殼；精細化模型；球節(jié)點剛度；地震響應(yīng)

中圖分類號：TU393.3

文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2014）01000109

空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的節(jié)點大多采用焊接空心球或螺栓球。對于采用螺栓球節(jié)點的網(wǎng)殼，以前都用無摩擦的鉸代替螺栓球節(jié)點，但是通過試驗研究發(fā)現(xiàn)螺栓的彎曲剛度是不小的，把螺栓球節(jié)點假設(shè)為無摩擦的鉸并不合理[1]，節(jié)點剛度對網(wǎng)殼承載力[2]和失效荷載[3]有明顯的影響。文獻[4]研究了螺栓節(jié)點的彎曲剛度對結(jié)構(gòu)承載力的影響，發(fā)現(xiàn)其影響也很大。因此，后面的研究都應(yīng)用半剛性節(jié)點來模擬螺栓球。而對于采用焊接空心球節(jié)點的單層網(wǎng)殼，目前的研究中絕大部分都不考慮網(wǎng)殼中節(jié)點剛度的影響，直接把梁單元連接到剛性節(jié)點上[59]（見圖1）。由抗震設(shè)計可知，在罕遇地震作用下部分構(gòu)件屈服是允許的。焊接空心球節(jié)點不是絕對的剛體，它在壓力或拉力下會發(fā)生較大變形[1011]。如果球節(jié)點在強震作用下發(fā)生屈服變形，這種屈服變形會影響結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)或整體穩(wěn)定性，而常用網(wǎng)殼模型不能考慮節(jié)點的屈服變形，因此得出的結(jié)果可能會存在較大誤差。后來雖然有些學者在分析中考慮了節(jié)點剛度的影響[1215]，但是他們采用的是等效法，即用彈簧單元等效節(jié)點剛度，由于沒有試驗數(shù)據(jù)或精細化模型的分析結(jié)果作為參照，并且彈簧單元不能等效球節(jié)點軸向剛度和彎曲剛度的耦合作用，因此采用等效模型的分析結(jié)果與實際值之間可能也有較大誤差。為了使數(shù)值分析結(jié)果與結(jié)構(gòu)的實際受力情況更接近，有必要建立與實際模型接近的精細化模型。顧磊等[16]和薛素鐸等[17]在這方面進行了嘗試，分別建立了精細化單層球面和柱面網(wǎng)殼模型，模型中按照實際尺寸建立球節(jié)點和鋼管桿件。顧磊等[16]主要從靜力角度研究考慮球節(jié)點剛度后結(jié)構(gòu)承載力和穩(wěn)定性的變化，分析結(jié)果表明精細化模型與常用模型之間的差別不大。文獻[18]和[19]從動力角度出發(fā)，采用文獻[17]的建模方法建立精細化模型分別進行了地震響應(yīng)分析和動力穩(wěn)定性分析，與常用模型的分析結(jié)果進行對比后發(fā)現(xiàn)，精細化建模后得出的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)明顯大于常用模型的值，并且精細化模型的動力穩(wěn)定性明顯變差。因此建議在強震下進行單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)動力分析時要采用考慮節(jié)點剛度影響的精細化模型。

圖1常用網(wǎng)殼模型（梁單元建立）

在已有研究的基礎(chǔ)上重點研究了2個方面的內(nèi)容：1） 當PGA（Peak Ground Acceleration地震動峰值加速度）小于結(jié)構(gòu)失穩(wěn)臨界值時，采用精細化模型（建模按實際情況考慮節(jié)點剛度）和常用模型（建模不考慮節(jié)點剛度）2種模型進行地震響應(yīng)對比研究；2）當PGA超過結(jié)構(gòu)失穩(wěn)臨界值時，采用精細化模型，通過改變節(jié)點壁厚研究節(jié)點剛度的變化對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。在分析中考慮了結(jié)構(gòu)參數(shù)（矢跨比和長寬比）的變化。

薛素鐸，等：球節(jié)點剛度對單層柱面網(wǎng)殼地震響應(yīng)影響隨PGA變化的規(guī)律

1焊接空心球節(jié)點承載力驗算

參照《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》設(shè)計了3組單層柱面網(wǎng)殼模型，圖2所示為第1組模型的外形圖，精細化模型中焊接空心球節(jié)點與桿件的連接如圖3所示。表1詳細列出了模型的尺寸，每組包括2種模型，即：精細化模型（殼單元）和常用模型（梁單元）。第1組模型為初始模型；第2組模型在初始模型的基礎(chǔ)上增加了長寬比；第3組模型增加了矢跨比，由于加大矢跨比采用的方法是直接在初始模型x方向的兩邊添加桿件，所以模型跨度增加了一些（1.3 m），但是相對于總跨度28.5 m來講，增加的量很小。

3個組的精細化模型都采用相同的焊接空心球節(jié)點，節(jié)點的詳細尺寸列入了表1。首先對模型進行節(jié)點承載力驗算，對節(jié)點進行軸向加載，加載中考慮彎矩的作用。由于桿件位置變化后與節(jié)點的夾角θ會發(fā)生變化（如圖4所示），這種變化會影響到節(jié)點與桿件連接區(qū)域周圍單元尺寸的變化，從而可能影響到節(jié)點的承載力，因此在加載中考慮了θ小于90°的情況。計算得出的節(jié)點彎矩與軸力無量綱關(guān)系如圖5所示，圖中的實線是根據(jù)理論公式[20]（即式（1））得出的。從圖中可以看到，在彎矩與軸力共同作用下，此球節(jié)點的模擬結(jié)果接近理論結(jié)果，因此可以把它應(yīng)用到整體模型中進行計算。精細化模型的