強震下立體鋼管拱桁架模型動力特性分析

重慶水利電力職業技術學院　張艷梅

強震下立體鋼管拱桁架模型動力特性分析

重慶水利電力職業技術學院張艷梅

摘要：本文通過對90m跨矢跨比0.2截面尺寸為3m×3m的立體拱桁架結構體系采用SAP2000有限元軟件進行模態分析,并對得出結構的振型特點、自振頻率進行分析,研究結果表明該立體鋼管拱桁架結構體系抗震性能良好,為后續的理論研究提供一定的參考。

關鍵詞：立體鋼管拱桁架；動力特性；自振頻率；振型

中圖分類號：TU511.3

文獻標識碼：A

文章編號：1671-864X（2015）04-0170-02

我國是世界上地震活動最強烈和震害最嚴重的國家之一。在歷次大地震中鋼結構以其良好的抗震性能通過了嚴峻的考驗而屹立不倒，并成為當時最大的災民避難場所，使得傷員得到及時的救治，為國家減輕了損失，因此這種結構類型引起了工程師們的廣泛關注，在眾多的鋼結構形式中鋼管拱桁架結構由于結合了拱和桁架二者的優點，倍受工程師們的青睞。然而由于鋼管拱桁架結構體系用于工程中的時間較短，對于其的理論研究尚不完善，因此研究鋼管拱桁架在強震下的動力響應具有極大的工程應用價值[1]。

一、模型的建立

1.模型的幾何參數。

本章采用有限元軟件SAP2000對90m跨矢跨比0.2的立體拱桁架結構體系，結構平面尺寸為90m×84m，榀間距為9米，共10榀，如圖1所示，截面形式為倒三角形截面，其中截面寬度為3m，截面高度為3m，跨度方向拱桁架為三心圓拱桁架，次桁架不起拱，支撐設置方式如圖2所示，山墻采用格構式柱。結構采用固定鉸支座支承，支承位置為拱腳處，上下弦均支承，山墻上格構柱也設有支承[2]。

組成主桁架的三段圓弧的上弦半徑分別為8.115m、81.885m、8.115m，下弦半徑分別為5.115m、78.885m、5.115m，小弧的圓心角為60°，單榀拱桁架幾何模型如圖3所示，上弦共分為31段，每段長度為3175毫米，下弦共分為30段，每段長度為3059毫米。

2.截面的選擇。

截面形式采用熱軋無縫鋼管，結構所用鋼材全部選用Q235B級鋼，鋼材密度為7850Kg/m3，屈服強度為235MPa，彈性模量為206GPa，切線模量為6.18GPa，泊松比為0.3。采用的桿件截面型號有φ48x3、φ76x4.0、 φ89x4.0、φ102x4.0、φ127x6.0、φ140x6.0、φ159x8.0、φ180x8.0、φ219x8.0[3]。

3.荷載的計算。

本文所研究的立體鋼管拱桁架結構體系擬建于山西省太原，在參考了國內已建的鋼結構拱桁架工程的基礎上，按照現行國家相關規范對拱桁架模型進行設計，荷載取值如下[4]-[7]：恒荷載：拱桁架桿件自重由程序自動計算；屋面板采用彩色鋼板屋面0.15 KN/m2；檁條自重取0.15 KN/m2,合計取0.3 KN/m2；考慮室內裝修，燈具和吊頂合計0.30 KN/m2。活荷載：屋面活荷載標準值取0.3 KN/m2。雪荷載：查得基本雪壓為S0=0.35 KN/m2，風荷載：基本風壓W0=0.45 KN/m2；

溫度作用：考慮溫度作用升溫20℃，降溫20℃。

4.地震參數。

該立體鋼管拱桁架結構體系設計基準期為50年，本設計所在地區抗震設防烈度為8度，設計地震分組為第一組。按8度多遇地震對結構進行設計，設計基本地震加速度值為0.20g，場地類別為Ⅲ類，查《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010)[7]可知，水平地震影響系數最大值為0.16,場地特征周期值為0.45s,分析時結構的阻尼比彈性階段分析時取0.02，彈塑性分析時取0.05。計算時考慮水平和豎向地震作用。

二、動力特性分析

采用SAP2000對結構進行模態分析，由于立體拱桁架結構體系比較復雜，不能忽略高階振型對結構的影響，計算時取結構的前四十階振型，圖4為模型的前四十階振型的自振頻率振型數關系曲線圖[8]。

從頻率—振型數關系曲線可知，立體鋼管拱桁架結構體系頻率非常密集，結構各階振型頻率相差比較小，未出現大的跳躍，而且階數越高越密集，由于頻率密集，高階振型的影響不能忽略，在結構地震響應計算時應該考慮各振型之間的相關性。

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》[9]截取的振型數需使各個方向累積質量參與系數大于等于90%。因此表1列出了模型前四十階振型的周期、各個方向質量參與系數、振型類型[10]。

表1　前40階振型質量參與系數及振型類型

注：UX、UY—該振型X、Y方向的質量參與比，RZ—該振型繞Z軸的質量參與比，若RZ小于UX和UY之和，則說明是平動振型反之則說明為扭轉振型。

由表1可知，模型平動振型占振型總數的77.5%，其中X方向的平動占68%，Y方向的平動占32%，說明結構的地震響應以X向平動為主，但是部分陣型并不是單純的X方向或Y方向的平動，而是帶有一定的扭轉，如振型一X向的參與質量系數為22.29%，Y向的參與質量系數為0，而RZ作為扭轉系數也參與了6.97%；模型前40階振型各個方向的參與質量系數的累加值均大于90%；X向30階以后的振型對結構的貢獻小于5%，說明結構的主要響應集中在前三十階振型，Y向的響應主要集中在個別振型上，其余振型參與較少。

三、結論

綜合以上分析可以得出結論如下：

1.結構的共振區位于0.1s - 0.45s之間，以上分析結果表明，模型的第一自振周期大于0.45s，避開了共振區間說明這種結構是合理的。

2.該空間立體拱桁架結構體系存在平扭連藕效應，這是由空間結構體系本身的復雜性決定的。

3.從振型的分布及類型可以看出，高階振型對X向的響應影響較大，而對Y向的影響較小。

參考文獻：

[1]張艷梅，強震下90m跨矢跨比0.2三心圓立體拱桁架結構體系動力彈塑性分析[D]，太原理工大學，2013.

[2]李海旺，李建仙.鋼管拱桁架在地震作用下的動力響應研究.科技情報開發與經濟，2007，17（8）：143-146.

[3]羅堯治.大型三心圓柱面網殼優化[C].結構與地基國際學術研討會論文集.1994，320-325.

[4]GB 50009-2012，建筑結構荷載規范[S]，北京，中國建筑工業出版社，2012.

[5]GB 50017-2003，鋼結構設計規范[S]，北京，中國計劃出版社，2003.

[6]GB 50011-2010，建筑抗震設計規范[S]，北京，中國建筑工業出版社，2010.

[7]JGJ7-2010，空間網格結構技術規程[S]，北京，中國建筑工業出版社，2010.

[8]北京金土木軟件技術有限公司，中國建筑標準設計研究院，SAP2000中文版使用指南，人民交通出版社.

[9]JGJ3-2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S]，北京，中國建筑工業出版社，2010.

[10]李海旺，任瀾濤，杜成云.某煤棚拱桁架結構動力特性及地震響應分析[J].科學之友，2010，（03）∶33-35.

作者簡介：張艷梅,女,河北衡水,1985年4月生,助教,碩士研究生,主要從事鋼結構方向研究。