鋼結構裝配式防爆墻的自由振動分析

歐陽丹丹　王菲

摘 要：利用空間網格結構分析軟件MST2006對4個鋼結構裝配式防爆墻模型進行靜力分析，并按照滿應力原則對模型進行截面設計。這4個模型包括1個柱—支撐結構模型，1個平面桁架結構模型，2個平面桁架系網架結構模型。采用通用有限元軟件ANSYS對所有模型進行自由振動分析，得到各模型的一階振型和固有頻率。比較各模型的一階振型可知，平面桁架系網架結構的一階振型為平動，振動方向與爆炸荷載作用方向一致，動力特性較好，是一種較優的防爆墻結構形式。

關鍵詞：鋼結構 裝配式 防爆墻 自由振動 固有頻率 振型

中圖分類號：TU894 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（c）-0056-03

Abstract：Static analysis of four steel structure assembling blast wall models were carried out by using MST2006. Section design of these models were made in accordance with the？full stress？principle.The four models include one column-brace structure model， one plane truss structure model and two plane truss grid models. Free vibration analysis of the four models were made by ANSYS and the first order vibration modes and natural frequencies of models were acquired. By comparsion of the first order vibration modes of every models， vibration mode shape of plane truss grid structure is translational. The vibration direction？is consistent with the direction of the explosion load. It suggests that plane truss grid structure have good dynamic characteristics and this structure is a better structure for blast wall.

Key words：steel structure assembling blast wall free vibration natural frequency vibration mode

防爆墻作為反恐防爆的一種重要措施，構筑費用低，防護作用明顯，成為有效防止重要目標遭受恐怖爆炸襲擊的常用措施。目標外部的防爆墻可以是目標四周永久性的圍墻，也可以是目標前面或某些特定位置臨時設置的裝配式防爆墻。其中裝配式防爆墻具有設置靈活方便的特點，得到了越來越多的應用。

裝配式防爆墻可做成各種結構形式[1-3]，不同結構形式的受力和抗爆性能、材料用量等各不相同。復雜的結構形式會大幅度增加防爆墻的組裝時間，不能滿足快速組裝的要求，并且難以實現單個構件的統一，不便于人工作業實施組裝。因此，防爆墻的設計應著重從組裝便捷快速，占地面積小等方面考慮。鋼結構具有自重輕，抗震抗爆性能好，施工安裝簡便，桿件和節點便于定型化、商品化等優點[4]，值得推廣應用于防爆墻的設計中。該文將對4個有代表性的鋼結構裝配式防爆墻進行自由振動分析，研究鋼結構防爆墻的自振特性，在滿足防爆墻結構功能的條件下，通過對各模型的振型進行比較來確定鋼結構裝配式防爆墻的合理方案。

1 鋼結構裝配式防爆墻的計算模型

該文設計了4個鋼結構防爆墻模型，如圖1～4所示。其中模型1為雙肢格構柱—支撐結構，模型2為梯形平面桁架結構，在模型1的每一雙肢柱間和模型2的每一平面桁架間增設水平系桿和水平支撐可得到模型3和模型4所示的平面桁架系網架結構。平面桁架系網架結構是由諸多桿件按一定規律組成的高次超靜定空間結構。它改變了一般平面桁架的受力體系，能夠承受來自各方向的荷載。由于桿件之間的相互支撐作用，空間剛度大、整體性好、能夠承受由于地基沉降帶來的不利影響；即使在個別桿件受到損傷的情況下，也能自動調節桿件內力，保證結構的安全。

采用空間網格結構分析軟件MST2006對這4個模型進行靜力分析，鋼材選用Q235，按照滿應力原則對計算模型進行多次調整，并結合工程實際對每一種計算模型進行合理配桿。在配桿設計時，考慮到動荷載作用下材料強度有所提高，材料強度需乘上材料動力設計強度綜合提高系數1.30。

2 自由振動分析

爆炸荷載是一種動力荷載，它跟結構的固有頻率有著密切的聯系，也就是說相同的TNT爆炸當量在相同爆距條件下，對不同固有頻率的結構將產生不同的爆炸荷載。為研究模型1～4的自振特性，采用通用有限元分析軟件ANSYS對上述4個計算模型進行自由振動分析[5]以求得結構的固有頻率和振型。

結構分析時采用的基本假定如下：節點為空間鉸節點，每一節點有三個自由度，選用空間桿單元LINK8來模擬桿件；忽略節點剛度的影響，即不計次應力對桿件內力的影響。采用ANSYS軟件對各計算模型進行自由振動分析得到的一階振型圖如圖5、6所示，固有頻率如表1所示。

3 計算結果整理及分析比較

模型1和模型2的第一振型主要為平動，并稍帶扭轉，且振型方向垂直于爆炸荷載作用方向。這說明模型1、模型2的縱向剛度和抗扭剛度較小，橫向剛度對結構不起主要控制作用，在爆炸荷載作用下，結構產生橫向振動的同時，將伴隨較大的縱向振動，使得結構的振動形式變得更加復雜，影響了結構的動力特性。雖然這兩種模型的桿件數量較少、用鋼量較小，節點較為簡單，但抗爆性能較差，不是用于防爆墻的理想結構。

模型3和模型4的第一振型為平動，且振型方向與爆炸荷載方向一致。這說明模型3和模型4的抗扭剛度和縱向剛度較大，橫向剛度對結構起主要控制作用，在爆炸荷載作用下，結構主要產生橫向振動，使得結構的振動形式較為簡單，大大的改善了結構動力特性。雖然與模型1、模型2相比，模型3、模型4的桿件數量較多，節點連接較為復雜，但由于防爆性能好，應優先考慮模型3、模型4這兩種方案。

模型3和模型4相比，由于后者桿件的規格較多，用鋼量較大，節點連接比模型3更復雜，且垂直桁架的底部弦桿間距較小，將對基礎產生較大的傾覆力矩，不利于基礎設計。相反模型3的斜撐桿底端與主桁架的間距較大，可避免對基礎產生較大的傾覆力矩，有利于基礎的設計。由此可見，采用模型3比采用模型4更為合理。

4 結語

該文分析了4個鋼結構裝配式防爆墻模型的振型和固有頻率，通過振型比較可知采用模型3方案能夠有效抵抗爆炸荷載，可以明顯節省鋼材，減輕墻體重量。該結構形式能夠滿足人工作業的要求，構件種類少，較為單一，便于識別、組裝和管理，并能根據實際應用需要，方便對墻體進行加長等調整。

參考文獻

[1] 嚴東晉，丁娜娜.建筑物外部防爆墻的研究應用現狀[C]//第五屆全國工程結構安全防護學術會議論文集.2006：313-320.

[2] 孔新立，蔣美蓉，趙躍堂，等.建筑物防汽車炸彈工程措施[J].爆破，2006，23（4）：86-89.

[3] 于文靜，趙金城，史健勇，等.波紋板防爆墻在爆炸荷載作用下動態力學性能研究[J].四川建筑科學研究，2012，38（2）：78-81.

[4] 魏明鐘.鋼結構[M].武漢：武漢理工大學出版社，2005

[5] 王新敏.ANSYS工程結構數值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.