大型體育場(chǎng)合開式網(wǎng)球館結(jié)構(gòu)抗震性能分析

大型體育場(chǎng)合開式網(wǎng)球館結(jié)構(gòu)抗震性能分析

大跨度結(jié)構(gòu)的理論分析這種封閉的住宅結(jié)構(gòu)以其獨(dú)特的魅力吸引了發(fā)達(dá)國(guó)家的應(yīng)用。而我國(guó)在開合屋蓋結(jié)構(gòu)的研究方面還處于起步階段,關(guān)于開合結(jié)構(gòu)的理論研究還不完善,但已經(jīng)在進(jìn)行工程實(shí)踐,采用開合式屋頂?shù)慕ㄖ呀?jīng)不罕見,已經(jīng)建成幾座簡(jiǎn)單的、較小跨度的開合屋蓋建筑,如釣魚臺(tái)國(guó)賓館網(wǎng)球館、上海浦東某游泳池、杭州黃龍?bào)w育中心網(wǎng)球館等,目前這些開合建筑運(yùn)轉(zhuǎn)正常,可見我們已經(jīng)掌握了小規(guī)模的開合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)。大型復(fù)雜開合屋蓋結(jié)構(gòu)的建設(shè)也有突破性進(jìn)展,如已建成的上海旗忠森林網(wǎng)球中心,在建的江蘇南通會(huì)展中心。隨著正在興起的建造開合結(jié)構(gòu)的熱潮,對(duì)其大跨度結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性及抗震性能的理論分析刻不容緩。本文將以黃龍?bào)w育中心開合網(wǎng)球館為研究對(duì)象,對(duì)此結(jié)構(gòu)在不同使用狀態(tài)下的動(dòng)力特性及其抗震性能進(jìn)行分析。1主拱桁架與混凝土框架浙江省黃龍?bào)w育中心開合網(wǎng)球館于2005年8月竣工,圖1為該結(jié)構(gòu)的外觀圖,結(jié)構(gòu)布置如圖2所示,屋蓋覆蓋面積為78m直徑的球形,周邊柱子布置在半徑為37.3m的看臺(tái)平面上,主拱桁架根據(jù)建筑要求和建筑紅線的限制,采用了一端落地,另外一端落在鋼筋混凝土框架上,拱腳跨度為94.5m?？蓜?dòng)屋面布置在兩個(gè)主拱桁架中央,完全打開的水平投影面積為21m×35m(沿主拱方向),開啟或閉合時(shí)間為15min。2自振頻率與自振型本文使用通用軟件ANSYS進(jìn)行求解,選擇子空間迭代法求解了150階模態(tài)。結(jié)構(gòu)模型主要采用了link8單元模擬腹桿,link10單元模擬索,pipe16模擬弦桿?？蓜?dòng)屋蓋支座節(jié)點(diǎn)與軌道相應(yīng)節(jié)點(diǎn)位移耦合,進(jìn)行整體分析。通過計(jì)算,可以得到該結(jié)構(gòu)在完全開啟和完全閉合兩種狀態(tài)下的自振頻率與各階振型,限于篇幅,結(jié)構(gòu)自振頻率結(jié)果從略。該結(jié)構(gòu)的頻率譜十分密集,頻率的分布幾乎是連續(xù)變化的,甚至出現(xiàn)頻率很接近乃至相等的情況。閉合狀態(tài)自振頻率較開啟狀態(tài)略高,但不超過10%,也有個(gè)別開啟狀態(tài)的自振頻率大于閉合狀態(tài),經(jīng)振動(dòng)模態(tài)觀察,第4、5階振動(dòng)模態(tài)是上下振動(dòng)。當(dāng)結(jié)構(gòu)處于閉合狀態(tài)時(shí),活動(dòng)屋蓋作用于軌道梁中部,開啟狀態(tài)時(shí),屋蓋作用于主拱和軌道梁交接的部分。顯然在開啟狀態(tài)下,結(jié)構(gòu)的豎向剛度較大。其他振動(dòng)模態(tài)多為水平向振動(dòng),當(dāng)結(jié)構(gòu)處于閉合狀態(tài)時(shí),結(jié)構(gòu)更加完整,水平向的剛度更大。所以結(jié)構(gòu)在開啟狀態(tài)下,豎向剛度較大,在閉合狀態(tài)下,水平剛度較大。3結(jié)構(gòu)體系的地震響應(yīng)對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震作用分析,最常用的是計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),一般有兩種方法:譜分析方法,時(shí)程分析法。譜分析得到的是結(jié)構(gòu)力學(xué)特征(如節(jié)點(diǎn)位移,桿件內(nèi)力等)隨頻率譜變化的響應(yīng),可得到對(duì)結(jié)構(gòu)影響較大的頻率范圍以及結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)。時(shí)程分析采用時(shí)間積分的方法,模擬結(jié)構(gòu)在真實(shí)地震動(dòng)作用下的響應(yīng),反映地震作用時(shí)間內(nèi)對(duì)結(jié)構(gòu)的具體影響。本文將采用時(shí)程分析法對(duì)該工程實(shí)例進(jìn)行分析。時(shí)程分析方法需要輸入地震的地面運(yùn)動(dòng)加速度,地震動(dòng)的波形主要按場(chǎng)地類別選用,當(dāng)選擇的實(shí)際地震記錄的加速度峰值與建筑地區(qū)設(shè)防烈度所對(duì)應(yīng)的加速度峰值不一致時(shí),可將實(shí)際地震記錄的加速度按比例放大或縮小來加以修正。對(duì)于多遇地震,結(jié)構(gòu)多處于彈性狀態(tài),而對(duì)于罕遇地震,應(yīng)該對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性分析,本文僅考慮彈性工作階段。選擇天津波進(jìn)行水平東西、南北方向以及豎向地震作用分析,天津波地震記錄相對(duì)比較安全,較常用,地震動(dòng)時(shí)間間隔為0.05s,記錄的點(diǎn)數(shù)為384個(gè),持續(xù)時(shí)間為19.20s;為了提高效率,考慮到計(jì)算時(shí)主要是考察地震動(dòng)最強(qiáng)烈的那一部分響應(yīng),同時(shí),由于地震作用結(jié)構(gòu)可能會(huì)產(chǎn)生一定的滯后,因此截取包括峰值在內(nèi)的一部分地震動(dòng)進(jìn)行計(jì)算,取5~15s也就是截取地震最強(qiáng)烈的部分來輸入地震動(dòng)的時(shí)程,時(shí)間間隔為0.05s,取201個(gè)記錄點(diǎn)。根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范,杭州屬于6度震區(qū),水平加速度取0.05g,調(diào)整加速度幅值。在水平地震動(dòng)的作用下,結(jié)構(gòu)在開啟狀態(tài)的動(dòng)力響應(yīng)略大于閉合狀態(tài),以南北向地震動(dòng)作用下變形較大的節(jié)點(diǎn)為例,圖4顯示節(jié)點(diǎn)在兩個(gè)狀態(tài)下的x方向的位移響應(yīng)及該節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)和地震加速度之間的關(guān)系。開合結(jié)構(gòu)對(duì)于軌道變形要求嚴(yán)格,設(shè)計(jì)目的是使軌道在各種荷載作用下,保證水平度和平行度,以下取開啟和閉合兩個(gè)狀態(tài)下軌道中部節(jié)點(diǎn)在各方向的地震動(dòng)作用下的位移響應(yīng)。為了便于觀察,取0.2s為時(shí)間間隔,時(shí)間段為5s到15s?？傮w來說,軌道結(jié)構(gòu)開啟和關(guān)閉的狀態(tài)下,對(duì)地震作用的響應(yīng)相差不多,這是由于該結(jié)構(gòu)無論在開啟還是閉合狀態(tài)都有良好的剛度,結(jié)構(gòu)形式的改變對(duì)結(jié)構(gòu)的整體剛度影響不大。軌道節(jié)點(diǎn)在各個(gè)方向地震動(dòng)作用下的響應(yīng)如下圖5所示。軌道節(jié)點(diǎn)在東西向水平地震動(dòng)作用下,閉合和開啟狀態(tài)的位移幅值基本相似,只是絕對(duì)值有小量差別,根據(jù)結(jié)構(gòu)靜力分析,當(dāng)可動(dòng)屋蓋作用在軌道中部,軌道有少量的側(cè)向位移,所以結(jié)構(gòu)圍繞不同的平衡中心擺動(dòng)。軌道節(jié)點(diǎn)在南北向地震波作用下,開啟狀態(tài)下的響應(yīng)比閉合狀態(tài)略大;在豎向地震動(dòng)作用下,同樣是開啟狀態(tài)響應(yīng)較大。由以上計(jì)算結(jié)果可以看出,結(jié)構(gòu)在垂直軌道方向的剛度幾乎不受開合狀態(tài)的影響;沿軌道方向的抗震性能會(huì)受到結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響,一般認(rèn)為,當(dāng)活動(dòng)屋蓋閉合的時(shí)候結(jié)構(gòu)體系較完整,位移響應(yīng)略小;在豎直方向上,同樣是閉合狀況下,位移響應(yīng)較小。4區(qū)域內(nèi)非熱能自然過程的抗震劑研究為滿足結(jié)構(gòu)抗震要求,開合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減小各向的剛度差別。一般開合結(jié)構(gòu)都需要設(shè)定常規(guī)使用狀態(tài),有的是大部分時(shí)間處于打開狀態(tài),也有大部分時(shí)間處于關(guān)閉狀態(tài)的結(jié)構(gòu),所以根據(jù)開合結(jié)構(gòu)的用途,對(duì)于其通常狀態(tài),選用合適結(jié)構(gòu)體系。除了開合結(jié)構(gòu)的整體抗震性能外,可動(dòng)屋蓋和固定屋蓋的連接點(diǎn)是抗震設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié),需要采取一系列構(gòu)造措施防止結(jié)構(gòu)在受到地震荷載下出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況。本文參考已有工程設(shè)計(jì)實(shí)例,提出一些構(gòu)造措施來抵抗地震作用。限于篇幅,構(gòu)造措施從略。5前5階模態(tài)本文使用通用軟件ANSYS對(duì)黃龍?bào)w育中心開合網(wǎng)球館動(dòng)力特性及抗震性能進(jìn)行了分析。結(jié)構(gòu)的自振頻率譜十分密集,基頻為3.56Hz。前5階模態(tài)包括了結(jié)構(gòu)東西向擺動(dòng),南北向擺動(dòng)和上下擺動(dòng);結(jié)構(gòu)以天津波為參考對(duì)象,通過調(diào)幅得到適合該