大懸挑預應力空間鋼結構自振特性分析

胡　濱　楊想紅　洪晶晶

(貴州民族大學建筑工程學院，貴州 貴陽　550025)

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大懸挑預應力空間鋼結構自振特性分析

胡濱楊想紅洪晶晶

(貴州民族大學建筑工程學院，貴州 貴陽550025)

采用ANSYS有限元分析軟件及分塊Lanczos法[6]，對采用預應力大懸挑鋼結構的貴陽奧體中心挑棚進行自振特性分析，研究了預應力體系的存在與否對自振頻率和振型的影響，為進一步研究此類結構的抗震性能提供理論依據。

預應力，大懸挑鋼結構，ANSYS，自振頻率，振型

0　引言

自振特性也稱動力特性，通常是指結構或構件的自振頻率及其相應振型等振動模態參數。結構的地震反應，除了與設防烈度、場地條件等大環境有關，還與結構的自振特性有關。因此研究結構的自振特性，對于減小地震作用進而減輕震害具有重要意義。

1　計算模型

1.1工程簡介

貴陽奧體中心西看臺罩棚縱向長約284.307 m，高度約52.303 m，最大寬度約68.742 m(見圖1)。看臺上部設一排支撐，最大懸挑約49 m，最大高度約51 m。西看臺罩篷屬于超限大懸挑結構，采用沿屋蓋上表面徑向設置預應力大懸挑斜交斜放的空間管桁架結構。通過局部布置的預應力拉索施加預應力來提高結構的豎向剛度。預應力拉索位于樹狀支撐點至懸挑末端附近(見圖2)。該結構屬于局部區域施加預應力結構。大跨度懸挑空間鋼結構與預應力組合成為一種新的結構體系。

1.2有限元模型的建立

本文采用ANSYS有限元分析軟件建立其分析模型。該模型含三種單元類型，分別為Beam188,Link10及Mass21，全部采用Q345鋼。定義各單元的截面及材料屬性。

2　自振特性分析

2.1自振特性的計算方法

結構的自振特性通常指自振周期和振型，主要由質量、剛度等因素決定，與外荷載無關。由結構動力學可知，多自由度體系無阻尼自由振動方程為[7-9]：

(1)

根據式(1)的特點，設方程的解為：

{δ}={φ}sinωt

(2)

則其動力特征方程為：

([K]-ω2[M]){φ}={0}

(3)

其中，ω為特征值，即體系的自由振動圓頻率；{φ}為特征向量，即與體系自由振動圓頻率相應的振型。

2.2采用預應力體系時自振頻率分布規律

通過有限元軟件進行模態分析，提取本算例前10階自振頻率，見表1。

表1　屋蓋空間鋼結構前10階自振頻率(采用預應力體系時)

通過表1,圖3可以看出，結構在施加預應力時其前10階頻率的頻譜非常密集，這說明其動力特性非常復雜,且前10階振型以豎向為主，說明其豎向剛度較弱。

2.3不采用預應力體系時自振頻率分布規律

通過有限元軟件進行模態分析，提取本算例前10階自振頻率，見表2。

表2　屋蓋空間鋼結構前10階自振頻率(不采用預應力時)

通過表2，圖4可以看出，結構在未施加預應力時其前10階頻率的頻譜也很密集，這一點與施加預應力的情況相同，且前10階振型以豎向為主。

3　結語

1)由結構的前10階振型可以看出大懸挑預應力鋼罩棚的振型均為豎直振型，可見結構豎向剛度比水平向剛度弱。雖然結構幾何不對稱，但未出現扭轉振型,可見結構整體剛度均勻。

2)通過圖5可以看出，采用預應力時結構前10階自振頻率比不采用預應力時略有增大，這是正常現象，因為預應力體系的引入能夠提高結構的整體剛度，使得結構頻率變大。但是預應力的施加，又沒有明顯提高結構的基本頻率。這是因為局部施加的預應力索呈曲線，預應力并不是在所有點上同時減小位移。預應力的施加可以減小懸挑端部的撓度，但同時預應力卻又增大了索中部對應點的撓度。

3)結構的自振頻率相當密集，相鄰振型間周期非常接近，在采用振型分解法對結構進行抗震驗算時須對參與振型的數量選擇格外小心。

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Analysis on spatial steel structure natural vibration characteristics of large cantilever pre-stressed

Hu BinYang XianghongHong Jingjing

(ArchitecturalEngineeringCollege,GuizhouNationalUniversity,Guiyang550025,China)

Using the ANSYS finite element analysis software and block Lanczos method[6], this paper made natural vibration characteristics analysis on pre-stressed large cantilevered steel structure of Guiyang Olympic Sports Center, researched the influence of existing or not of pre-stressed system to natural vibration frequency and vibration mode, so as to provide theoretical basis for further research of this kind of structure seismic performance.

pre-stressed, large cantilever structure, ANSYS, natural vibration frequency, vibration mode

1009-6825(2016)19-0045-02

2016-04-23

胡濱(1980- )，男，助教；楊想紅(1980- )，男，副教授；洪晶晶(1985- )，女，講師

TU391

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