體育館上下部協同工作分析

葉　松,馬文亞,劉　創

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥　230022)

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體育館上下部協同工作分析

葉松,馬文亞,劉創

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥230022)

摘要：文章以廬江體育館為例，應用Midas結構分析和設計軟件,通過振型分解反應譜法和動力特性分析對該工程進行性能研究。針對鋼結構網殼和整體結構2種復雜空間結構計算模型，對結構的自振特性、位移及支座反力等性能進行分析和設計。計算表明,采用鋼結構網殼計算模型進行抗震設計存在不安全因素，在鋼結構網殼設計時應考慮上下部結構協同作用的影響。

關鍵詞：復雜空間結構；協同作用；反應譜分析

1工程概況

廬江體育館中心位于廬江縣東城區，總建筑面積為12 272 m2，建筑高度為19.6 m，此空間體系有效地將薄壁鋼結合起來，形成互相交錯的受力分攤體系。薄壁鋼的使用加大了結構的剛度，也提高了結構承受軸力和彎矩的能力?？臻g鋼架形成之后，結構內剛度減小，外剛度增大，荷載通過桿件傳遞到下部的支座上。

在實際工程分析中,通常把此類體系的網殼結構與支承分開考慮,對于網殼，根據柱腳的結構形式及節點構造，可按照固定支座、固定鉸支座、滑動鉸支座及彈性支座等來模擬[1]。這種方法建立在力平衡的基礎上，沒有考慮結構變形的影響。而實際上，如果鋼結構采用固定支座和鉸支座，則無法模擬支座節點處的位移，如果采用彈性支承，其彈性剛度無法準確得出。因此，對于大跨空間結構的設計，必須進行整體分析。本文針對以上問題，對廬江體育館結構進行研究[2-3]。

2結構計算模型

2.1計算模型

由軟件程序自動計入根據截面設計的結構自重，屋面恒載按1.0 kN/m2計，廊道按0.5 kN/m2計。屋面活荷載標準值為0.7 kN/m2，屋架下弦活荷載為1.0 kN/m2，基本雪載標準值為0.6 kN/m2，基本風載取50年一遇的基本風壓為0.35 kN/m2。因為該鋼桁架結構沿縱向較長，是內部鋼屋面，跨度也不是很大，在本次研究中暫不考慮溫度影響。

(1) 模型1。鋼結構網殼是通過3D3S建模，上部鋼桁架屋蓋模型中采用梁單元體系，所以釋放主桁架腹桿、上弦支撐、幕墻支撐、幕墻橫向聯系桿和底部支撐彎矩。在本工程中，網殼下部的支承點使用彈性支承代替下部支承和支座 ，如圖1所示。

圖1　鋼結構網殼模型

(2) 模型2。運用有限元分析軟件Midas Gen建模，模型簡化下部混凝土采用梁、柱單元；模型上部網殼屋蓋。約束條件柱底部與基礎剛性連接，上部網殼型鋼與鋼筋混凝土柱為鉸接，如圖2所示。

圖2　整體結構模型

2.2支座簡化

對于支承結構的彈性效應，考慮支承的彈性剛度，用來模擬結構上下部共同作用工況。下部支承結構的彈性效應,可以由下部支承結構在約束方向對網殼提供的彈性剛度表示。剛度計算根據具體支承情況予以考慮，對位于有邊梁的柱上和框架梁上的支承，可認為沿邊界法向的抗側移剛度較小，取沿法向抗側移剛度,沿切向邊界和豎向近似認為固定，即考慮支座有水平方向彈性約束，計算下部結構的側向剛度,作為網殼水平方向彈性約束的彈簧剛度。對于位于非框架梁的支承，可認為沿豎向考慮為彈性支承，其豎向剛度可近似采用梁位于網殼支座處的豎向剛度，沿切向和法向方向均考慮為彈性支座。根據實際網殼結構工程支承情況，一般采用周邊切向約束和豎向約束，僅考慮結構法向彈性剛度[4-5]。

3動力特性分析

3.1結構地震動系數

小震分析采用反應譜法,網殼結構阻尼比取為0.02,下部混凝土結構模型的阻尼比取0.05[6]，僅取單向地震作用[7]。重力荷載代表值為1.0靜+0.5活(雪)。

3.2結構自振特性

對模型1和模型2采用Lanczos法進行模態分析[8]，提取前15階振型，分別列出多階頻率對比圖，如圖3所示。

通過模態分析，有下部結構的模型頻率較大，主要原因是上下結構剛度相差較大，當取整體結構時，網殼結構成為整體薄弱地位，模型周期趨近于上部網殼并且放大。其次，模型1與模型2的前3階振型分別都是以水平和豎向變形為主，前3階振型中，整體模型周期大于模型1的周期，之后振型階數增加，頻率相對緩和，模型1的周期還略大于模型2的周期，都是以上部結構的局部變形為主。因此，模態分析不能僅取前幾階振型，還應考慮多階模態分析。

圖3　模型振型模態

4地震響應

在小震作用下，對上述2個模型進行振型分解反應譜法分析[9]。因為2個模型主振型的差異，勢必導致結構地震響應的差異。為量化研究不同模型帶來的地震相應差異[10]，提取模型中鋼結構部分關鍵部位結構地震內力、位移，軸力等主要力學指標對比分析，結果見表1、表2所列。

在模型1對應的桿件部位的位置，11號節點位于K軸與3軸相交部位，912節點位于F軸與5軸相交部位的上弦，4810腹桿位于F軸與5、6軸相交的腹桿，限于篇幅，此處未視出詳圖。

表1　小震作用下結構力學指標對比

表1中，位移指標為單獨網殼上弦節點912豎向位移，軸力指標為桁架腹桿4810桿件軸力。

表2　小震作用下11號支架反力指標對比　　　　kN

由上述分析可知：

(1) 在X、Y向地震作用下，模型2比采用簡化彈性剛度支座的模型1，在水平方向上增大了1.5倍左右，但是在豎直方向上，模型2比模型1大。

(2) 模型2中鋼結構網殼上弦節點頂點與整體模型2相近，并且略微大點，整體采用簡化彈性支座模型可行。

(3) 在桁架腹桿中，模型2的軸力相對于模型1略微大點，結果偏于安全。

綜合以上數據可以發現，模型2中考慮下部結構和支座的影響，采用彈性支承模擬下部結構和支座的剛度效應，是可以采用的邊界條件，大體上考慮下部結構對鋼結構受力狀態及安全性能的影響。

5結束語

本文進行鋼結構網殼動力特性分析時，由于整體模型下部框架剛度較大，導致整體變形的周期大于上部結構周期。整體模型振型模態與上部結構模態前幾階變形都是以水平和豎向變形為主，之后的振型是以網殼局部變形為主?？紤]上下部結構共同作用后，2種模型在小震作用下，鋼結構網殼支座反力、位移、軸力等力學指標在水平Y向和Z向大致相同，但是在水平Z向支座反力有點差距。因此，在實際模型中，雖然可以用簡化彈性支座模型模擬整體模型，但是從部分數據分析還不能完全等效。

〔參考文獻〕

[1]楊雪.大半類球面網殼與下部支承協同工作研究[D].蘭州:蘭州交通大學,2014.

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[10]張曼生,王樹,管志忠,等.山西科技館結構設計[J].建筑結構,2009(10):107-111,84.

收稿日期：2016-03-12；修改日期：2016-03-16

作者簡介：葉松(1990-)，男，安徽六安人，安徽建筑大學碩士生．

中圖分類號：TU312.1

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0206-03