协同工作对张弦桁架抗震的影响范文

《空间结构杂志》2014年第二期

1计算模型和基本参数

有限元模型三维和立面图分别如图3和图4所示．其中张弦桁架纵向为X向，横向为Z向，竖向为Y向．分析计算中，钢索分成了12段，采用LINK10单元，上下弦杆视为连续梁，使用BEAM188单元．根据《空间网格结构技术规程》4．1．4条规定，每榀张弦桁架上弦杆之间的腹杆采用BEAM188单元，其他的腹杆和撑杆都采用LINK8单元．屋面檩条使用BEAM188单元，通过耦合自由度的方式跟弦杆铰接．下部结构的梁、柱都采用BEAM188单元，通过耦合同一片楼板处的所有节点的自由度Ux，Uy，Rotz来考虑刚性楼板的作用［7］．计算结构的地震响应时，张弦桁架承受的竖向荷载有：马道荷载，取0．2kN／m2；屋面恒载（屋面板重量＋设备荷载），取0．8kN／m2；檩条和屋面水平支撑的自重，取0．4kN／m2［8］．张弦桁架结构的自重由程序自动计算．建筑的重力荷载代表值取结构和构配件自重标准值和各可变荷载组合值之和［9］．计算地震作用时把下面框架板的重量与荷载转换成质量单元施加在梁柱节点处，把马道荷载和屋面恒载转换成质量施加在上弦杆节点处．拉索的预应力值取600kN，采用预应变加载模拟［10］．

2计算方法

目前在实际工程的抗震分析中，地震波的输入通常采用一致输入方法．这种方法假定地基是刚性的，地震发生时，基础各点以同样的振幅和相位振动．对于大跨度结构的抗震分析可以采用时程分析法、随机振动法和工程实用反应谱法［11］．本文采用时程分析法进行地震响应分析。计算时选用典型的分别适应一至三类场地的迁安波、Taft波和El－Centro波，输入的X向、Y向和Z向的峰值比例分别为1．72∶1．27∶1、1．62∶1．73∶1和1．80∶1．23∶1，地震波时长为30s，时间间隔为0．02s，按三维输入．计算中采用粘滞阻尼理论来描述阻尼，屋盖单独模型的阻尼比取0．02，根据钢和混凝土对结构整体刚度的贡献率，整体模型的阻尼比取0．03．计算时考虑结构的几何非线性．

3计算结果和分析

以代表性的中间两榀中的一榀张弦桁架的计算结果来进行比较分析．

3.1自振特性的比较分析屋盖单独模型的前21阶自振频率及前6阶振型分别如表1和图5所示．整体模型的前21阶自振频率及前8阶振型分别如表2和图6所示．由表1可以看出，不考虑下部框架结构协同工作的情况下，结构的自振基频在0．97Hz左右．由图5可见，它的前6阶振型都是以不同榀或者多榀桁架組合的绕张弦桁架纵向转动的振动为主，直到第7振型才是张弦桁架的整体竖向振动，竖向振动为主的振型的频率相对绕纵向转动的振型的频率出现了跳跃．由表2可以看到，考虑下部结构模型的前21阶自振频率比较集中，结构基频同样在0．97Hz左右，前21阶自振频率分布在在0．96Hz到2．02Hz之间．同阶振型下，整体模型的自振频率比屋盖单独模型小，随着阶数的增大，两者的差别越加明显．根据图6给出的自振情况来看，整体结构的前6阶振型也是以张弦桁架绕其纵向转动的振动为主，直到第7振型才是以张弦桁架的整体振动为主，并伴随着结构整体沿X方向的大幅度振动．由于下部结构的刚度较大，前几阶振型下部结构参与振动的成分比较小．可见，在考虑下部框架协同工作的情况下，下部支承结构的协同工作会使下部结构参与振动，参与的程度与下部结构的刚度有关．综上可见，在考虑下部框架结构的协同工作后，钢屋盖的边界约束减弱，使结构的自振频率减小，但对张弦桁架低阶振型的影响不大．

3.2下弦杆跨中节点水平加速度比较分析整体模型和屋盖单独模型在三种地震波作用下的下弦杆跨中节点X向加速度响应峰值和Z向加速度峰值见表3．由表3可见，在El－Centro波、迁安波和Taft波作用下，与屋盖单独模型相比，考虑了下部结构协同工作的整体模型X方向加速度峰值分别增大556．33％、122．24％和217．93％，Z方向加速度峰值分别增大60．01％、减小21．31％和5．30％．由此可知，在考虑下部框架结构的协同工作下，支承张弦桁架的下部结构的柱端变形和下部结构质量的惯性作用，使张弦桁架的水平地震加速度响应发生了极大的改变．

3.3下弦梁跨中节点竖向位移分析比较El－Centro波、迁安波和Taft波作用下，整体模型和屋盖单独模型的下弦杆跨中节点的竖向位移地震响应时程曲线分别如图7（a）、（b）、（c）所示．计算结果表明，在El－Centro波、迁安波和Taft波作用下整体模型下弦跨中节点的竖向地震响应峰值分别为396．15mm、395．75mm和396．01mm，屋盖单独模型则分别为431．03mm、428．66mm和429．16mm．在这三种地震波作用下，整体模型的竖向位移地震响应峰值分别比屋盖单独模型小了8．09％、7．68％和7．72％．对比相同地震波作用下的整体模型和屋盖单独模型的竖向位移地震响应可知，屋盖单独模型的竖向位移地震响应的衰减速度明显比整体模型快．由此可见，下部结构的协同工作使张弦桁架竖向位移的地震响应明显减小，但位移响应的衰减速度变慢．

3.4上下弦杆最大轴力地震响应对比分析El－Centro波、迁安波和Taft波作用下，各取整体模型和屋盖单独模型跨边和跨中处的3根上弦杆和下弦杆为分析比较对象，它们的地震响应最大轴力分别如表4、表5和表6所示．表中，Nu1和Nd1分别是上下弦整体模型的计算结果，Nu2和Nd2分别是上下弦屋盖单独模型的计算结果，单元号一栏中／号后面的表示是下弦杆单元编号．由表4～表6数据对比可见，在地震波作用下，边跨处整体模型的弦杆受到的轴力比单独屋盖模型大，上弦杆的轴力值明显增大；但是其他位置整体模型的最大轴力值却比单独屋盖模型小，下部框架结构的协同工作使靠近跨中处的弦杆在地震作用下受到的轴力明显减小．

3.5索应力最大地震响应分析比较分析在三种不同的地震波作用下，整体模型和单独屋盖模型的索应力峰值都在初始时间点处取得，因此整体结构和屋盖单独结构的索应力峰值受不同地震波作用的影响极小，这里只用El－Centro波作用下的数据进行对比分析．整体模型和屋盖单独模型的索应力峰值分别如表7所示，表中索单元的编号见图1，其中σ1是整体模型的索应力地震响应最大值，σ2为屋盖单独模型的索应力最大值．由表7可见，下部结构协同工作下的张弦桁架每段索的应力地震响应最大值与屋盖单独模型的比值都为1．001．由此可见，下部框架结构的协同工作对张弦桁架拉索应力的地震响应影响极小．

4结论

本文利用ANSYS软件，选用迁安波、Taft波和El－Centro波，利用瞬态动力学分析法分别分析了整体模型和屋盖单独模型张弦桁架结构的地震响应，详细对比了有无下部框架结构协同工作下，结构的自振特性、下弦跨中节点的水平加速度和竖向位移的地震响应、上下弦杆轴力和拉索应力的地震响应，得出如下结论：（1）在考虑下部框架结构的协同工作后，钢屋盖的边界约束减弱，使得结构的自振频率减小，但对张弦桁架低阶振型的影响不大．（2）下部框架结构的协同工作极大程度上改变了张弦桁架的水平加速度地震响应．（3）下部框架结构的协同工作使张弦桁架竖向位移的地震响应明显减小，但位移响应的衰减速度变慢．（4）下部框架结构的协同工作使边跨处弦杆在地震作用下的轴力增大，但使靠近跨中的弦杆轴力明显减小，对钢索应力的影响极小．

作者：王和朋徐忠根陈荣毅单位：广州大学土木工程学院广州市重点公共建设项目管理办公室