強(qiáng)震下立體鋼管拱桁架模型動(dòng)力特性分析

重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院　張艷梅

強(qiáng)震下立體鋼管拱桁架模型動(dòng)力特性分析

重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院張艷梅

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

關(guān)鍵詞：立體鋼管拱桁架；動(dòng)力特性；自振頻率；振型

中圖分類號(hào)：TU511.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-864X（2015）04-0170-02

我國是世界上地震活動(dòng)最強(qiáng)烈和震害最嚴(yán)重的國家之一。在歷次大地震中鋼結(jié)構(gòu)以其良好的抗震性能通過了嚴(yán)峻的考驗(yàn)而屹立不倒，并成為當(dāng)時(shí)最大的災(zāi)民避難場所，使得傷員得到及時(shí)的救治，為國家減輕了損失，因此這種結(jié)構(gòu)類型引起了工程師們的廣泛關(guān)注，在眾多的鋼結(jié)構(gòu)形式中鋼管拱桁架結(jié)構(gòu)由于結(jié)合了拱和桁架二者的優(yōu)點(diǎn)，倍受工程師們的青睞。然而由于鋼管拱桁架結(jié)構(gòu)體系用于工程中的時(shí)間較短，對(duì)于其的理論研究尚不完善，因此研究鋼管拱桁架在強(qiáng)震下的動(dòng)力響應(yīng)具有極大的工程應(yīng)用價(jià)值[1]。

一、模型的建立

1.模型的幾何參數(shù)。

本章采用有限元軟件SAP2000對(duì)90m跨矢跨比0.2的立體拱桁架結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)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(shè)置方式如圖2所示，山墻采用格構(gòu)式柱。結(jié)構(gòu)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(gòu)柱也設(shè)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(jié)構(gòu)所用鋼材全部選用Q235B級(jí)鋼，鋼材密度為7850Kg/m3，屈服強(qiáng)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(hào)有φ48x3、φ76x4.0、 φ89x4.0、φ102x4.0、φ127x6.0、φ140x6.0、φ159x8.0、φ180x8.0、φ219x8.0[3]。

3.荷載的計(jì)算。

本文所研究的立體鋼管拱桁架結(jié)構(gòu)體系擬建于山西省太原，在參考了國內(nèi)已建的鋼結(jié)構(gòu)拱桁架工程的基礎(chǔ)上，按照現(xiàn)行國家相關(guān)規(guī)范對(duì)拱桁架模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，荷載取值如下[4]-[7]：恒荷載：拱桁架桿件自重由程序自動(dòng)計(jì)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(jì)取0.3 KN/m2；考慮室內(nèi)裝修，燈具和吊頂合計(jì)0.30 KN/m2。活荷載：屋面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取0.3 KN/m2。雪荷載：查得基本雪壓為S0=0.35 KN/m2，風(fēng)荷載：基本風(fēng)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(shù)。

該立體鋼管拱桁架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，本設(shè)計(jì)所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。按8度多遇地震對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g，場地類別為Ⅲ類，查《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010)[7]可知，水平地震影響系數(shù)最大值為0.16,場地特征周期值為0.45s,分析時(shí)結(jié)構(gòu)的阻尼比彈性階段分析時(shí)取0.02，彈塑性分析時(shí)取0.05。計(jì)算時(shí)考慮水平和豎向地震作用。

二、動(dòng)力特性分析

采用SAP2000對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，由于立體拱桁架結(jié)構(gòu)體系比較復(fù)雜，不能忽略高階振型對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，計(jì)算時(shí)取結(jié)構(gòu)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(shù)關(guān)系曲線圖[8]。

從頻率—振型數(shù)關(guān)系曲線可知，立體鋼管拱桁架結(jié)構(gòu)體系頻率非常密集，結(jié)構(gòu)各階振型頻率相差比較小，未出現(xiàn)大的跳躍，而且階數(shù)越高越密集，由于頻率密集，高階振型的影響不能忽略，在結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)計(jì)算時(shí)應(yīng)該考慮各振型之間的相關(guān)性。

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[9]截取的振型數(shù)需使各個(gè)方向累積質(zhì)量參與系數(shù)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(gè)方向質(zhì)量參與系數(shù)、振型類型[10]。

表1　前40階振型質(zhì)量參與系數(shù)及振型類型

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

由表1可知，模型平動(dòng)振型占振型總數(shù)的77.5%，其中X方向的平動(dòng)占68%，Y方向的平動(dòng)占32%，說明結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)以X向平動(dòng)為主，但是部分陣型并不是單純的X方向或Y方向的平動(dòng)，而是帶有一定的扭轉(zhuǎn)，如振型一X向的參與質(zhì)量系數(shù)為22.29%，Y向的參與質(zhì)量系數(shù)為0，而RZ作為扭轉(zhuǎn)系數(shù)也參與了6.97%；模型前40階振型各個(gè)方向的參與質(zhì)量系數(shù)的累加值均大于90%；X向30階以后的振型對(duì)結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)小于5%，說明結(jié)構(gòu)的主要響應(yīng)集中在前三十階振型，Y向的響應(yīng)主要集中在個(gè)別振型上，其余振型參與較少。

三、結(jié)論

綜合以上分析可以得出結(jié)論如下：

1.結(jié)構(gòu)的共振區(qū)位于0.1s - 0.45s之間，以上分析結(jié)果表明，模型的第一自振周期大于0.45s，避開了共振區(qū)間說明這種結(jié)構(gòu)是合理的。

2.該空間立體拱桁架結(jié)構(gòu)體系存在平扭連藕效應(yīng)，這是由空間結(jié)構(gòu)體系本身的復(fù)雜性決定的。

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

參考文獻(xiàn)：

[1]張艷梅，強(qiáng)震下90m跨矢跨比0.2三心圓立體拱桁架結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力彈塑性分析[D]，太原理工大學(xué)，2013.

[2]李海旺，李建仙.鋼管拱桁架在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)研究.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2007，17（8）：143-146.

[3]羅堯治.大型三心圓柱面網(wǎng)殼優(yōu)化[C].結(jié)構(gòu)與地基國際學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.1994，320-325.

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[6]GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]，北京，中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[7]JGJ7-2010，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]，北京，中國建筑工業(yè)出版社，2010.

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[9]JGJ3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]，北京，中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[10]李海旺，任瀾濤，杜成云.某煤棚拱桁架結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性及地震響應(yīng)分析[J].科學(xué)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(jié)構(gòu)方向研究。