某煤棚拱桁架結(jié)構(gòu)動力特性及地震響應(yīng)分析

1、某煤棚拱桁架結(jié)構(gòu)動力特性及地震響應(yīng)分析                         作者：李海旺 任瀾濤 杜成云摘 要:文章采用數(shù)值分析方法,以單榀三心拱桁架為研究對象,分析了該結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力特性和動力響應(yīng),分析中考慮了不同地震波選取對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響,可為相關(guān)設(shè)計和研究提供參考。 關(guān)鍵詞:三心拱桁架;動力特性;時程分析法;動力響應(yīng) 文章以某電

2、廠120 m跨干煤棚網(wǎng)殼為背景,該工程網(wǎng)殼高度43.75 m,網(wǎng)殼平面尺寸210 m×120 m,網(wǎng)格大小為4.2 m×4.5 m,投影面積用鋼量為50 kg/m2,整個網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)采用螺栓球節(jié)點三心圓柱面拱桁架結(jié)構(gòu)。三心拱桁架是指跨向斷面為三心圓的拱桁架結(jié)構(gòu),采用三心圓體型的跨向斷面比圓柱面體型更能充分利用內(nèi)部空間,降低結(jié)構(gòu)標高。中國作為多地震國家,80%以上大中城市處于地震區(qū),而三心拱桁架作為一種大跨空間結(jié)構(gòu),研究其在地震作用下的動力響應(yīng)具有重要實際意義。文章使用數(shù)值方法,采用ANSYS分析程序研究了單榀三心拱桁架在地震作用下的動力響應(yīng)問題,研究中考慮了不同地震波選取等因素

3、的影響。 1 基本參數(shù)和計算模型 1.1 基本參數(shù) 以具有工程意義的120 m跨度拱桁架為研究對象,三角形截面,截面高3.8 m,上下弦雙排支座。網(wǎng)殼跨向網(wǎng)格數(shù)為37格,其中大圓的半徑R=80.922 m,圓弧夾角73.26°,網(wǎng)格數(shù)為23格,小圓半徑r =29.024 m,圓弧夾角53.37°,網(wǎng)格數(shù)為6格,兩側(cè)垂直落地各加1個網(wǎng)格。材料選用Q235鋼,按結(jié)構(gòu)設(shè)計要求,上下弦采用?準180×12,中間腹桿層和弦腹桿采用?準159×8?？紤]類場地,8度設(shè)防烈度,地震波選用2條實際強震記錄和1條人工波,2條實際強震記錄分別為:EL-Centro波、寧河波,

4、將地震記錄加速度峰值按8度罕遇地震調(diào)整為400 cm/s2。 1.2 計算模型 有限元分析中,桿件選用LINK8桿單元,節(jié)點集中質(zhì)量采用MASS21單元,上弦邊跨每個節(jié)點為482 kg,中部963 kg。桁架兩端為三向不動鉸。分析中主要考慮平面內(nèi)的地震響應(yīng),并在平面外設(shè)置側(cè)向支撐,將其中間及1/4處節(jié)點Z方向變形進行約束。有限元模型見圖1。2 動力特性分析 結(jié)構(gòu)的自振特性是其本身的固有特性,只與結(jié)構(gòu)的自重、剛度及質(zhì)量分布等因素有關(guān),是衡量結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度是否匹配,剛度是否合理的重要指標。此外,準確把握結(jié)構(gòu)的自振特性還能避免與動力荷載發(fā)生共振的危險。因此,對結(jié)構(gòu)進行自振特性分析具有重要的意義。 計

5、算采用子空間迭代法,所得結(jié)構(gòu)的前10階自振頻率見表1。 由上可知,結(jié)構(gòu)振型在前10階變化較大,其中以中間結(jié)構(gòu)的豎向振動為主,中間夾雜個別平動扭轉(zhuǎn)振型,可見相對于水平方向,結(jié)構(gòu)豎向剛度較弱,且主要表現(xiàn)為上下弦桿的振動,腹桿振型很小。第七、九振型為空間復(fù)雜振型,上下弦桿及腹桿振型都很顯著,第九振型嚴格按照對稱分布。 3 地震響應(yīng)結(jié)果與分析 根據(jù)規(guī)范,對于該建筑,采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算。時程分析法又稱直接動力法,它在結(jié)構(gòu)底部輸入按時段數(shù)值化的地震記錄和人工合成的地震波,通過動力計算的方法求出結(jié)構(gòu)在地震過程中每一時刻的位移和變形情況,從而計算出結(jié)構(gòu)在地震作用下的地震作用效應(yīng)。文章考慮阻

6、尼影響,采用EL-Centro波,分別對其沿水平向(X)及豎向(Y)輸入波時的地震響應(yīng)進行了研究。EL-Centro波波形圖見圖3。 3.1 沿X向輸入地震波 當(dāng)?shù)卣鸩ㄑ豖向輸入時,結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)以水平向(X向)為主,其位移響應(yīng)圖與第一振型圖相似,表明當(dāng)沿結(jié)構(gòu)X方向輸入地震波時,其結(jié)構(gòu)第一振型的貢獻最大。最大位移發(fā)生在下弦臨近1/4處的節(jié)點,其值為7.067 mm。特征節(jié)點位移時程曲線見圖4,對應(yīng)最大位移時刻的上下弦變形圖,見圖6、圖7。 結(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應(yīng)以軸力為主,最大軸力發(fā)生在下弦支座附近的單元,其值為-83.34 kN,特征單元的時程曲線見圖5,相應(yīng)時刻上下弦軸力圖,見圖8、圖9。

7、0;                            由圖6、7可看出,在水平向地震波作用下,結(jié)構(gòu)的上下弦變形相近,均在1/4位置處最大,由圖8、9可看出,上下弦軸力云圖對稱分布,上弦最大軸力出現(xiàn)在左支座處,中間處最小,下弦最大軸力出現(xiàn)在左支座處,中間處最小,支承腿部位內(nèi)力遠大于其他部位的內(nèi)力。 3.2 沿Y向輸入地震波

8、當(dāng)?shù)卣鸩ㄑ亟Y(jié)構(gòu)Y向輸入時,結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)以豎向(Y向)為主,最大位移發(fā)生在下弦1/2處的節(jié)點,其值為7.135 mm。特征節(jié)點位移時程曲線見圖10,相應(yīng)時刻上下弦變形圖見圖12、圖13。 結(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應(yīng)以軸力為主,最大軸力發(fā)生在下弦支座附近的單元,其值為-69.41 kN,特征單元的時程曲線見圖11,相應(yīng)時刻上下弦軸力圖見圖14、圖15。 由圖12、13可看出,在豎向地震波作用下,結(jié)構(gòu)的上下弦變形相近,最大變形均發(fā)生在中間處。由圖14、15可看出上下弦軸力分布相似,上弦軸力在支座處最大,1/4位置處最小。下弦軸力在臨近支座處最大,1/4位置處最小,上弦桿件在跨中區(qū)域承受壓力,在兩側(cè)承受壓力;下弦桿件在跨中區(qū)域承受壓力,在支座處承受拉力。 4 不同地震波選取對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響 為考慮不同地震波對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響,另外選取了寧河波和人工波進行時程分析,并與EL-centro波相應(yīng)結(jié)果進行比較。 沿水平及豎向輸入時,不同地震波作用下結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)分別以X向、Y向為主,相應(yīng)的最大位移響應(yīng)值見表2。 由表2、表3可見,3條地震波引起的位移響應(yīng)、軸力響應(yīng)差別較大,其中以人工波作用下的響應(yīng)最大,EI波的響應(yīng)次之,寧河波的響應(yīng)最小。 5 結(jié)論 通過對三心拱桁架的地震作用時程分析,可得以下結(jié)論: (1)計算結(jié)果表明,EL波水平和豎向地震作用下,支承腿部位內(nèi)力遠大于其他部位的內(nèi)力。 (2)結(jié)構(gòu)最