大跨度張弦網(wǎng)殼結構地震響應分析

大跨度張弦網(wǎng)殼結構地震響應分析

1結構體系的地震響應問題目前，張地結構的動態(tài)性能和地震響應主要集中在張地梁和張地網(wǎng)殼結構的簡單表中。而復雜的大跨度結構的抗震設計往往不能直接套用相關規(guī)范條文對規(guī)則簡單的結構的規(guī)定。對具體的工程結構進行詳細的抗震性能分析是確保結構設計安全的主要方法。以安徽大學體育館屋蓋張弦網(wǎng)殼結構為研究對象,在分析結構動力特性的基礎上,采用時程分析法對張弦網(wǎng)殼結構進行水平、豎向地震作用下的響應分析,并與以改變支座剛度和在支座處增加質量點的方法考慮上下部結構協(xié)同工作的張弦網(wǎng)殼結構的地震響應進行比較。并通過結構的地震內(nèi)力系數(shù)分布規(guī)律和拉索軸力、節(jié)點位移時程曲線的比較分析總結了張弦網(wǎng)殼結構的地震響應規(guī)律及其下部支承結構對張弦網(wǎng)殼結構地震響應的影響規(guī)律。2拉索動力特性分析安徽大學體育館鋼屋蓋主結構水平投影為正六邊形,采用張弦網(wǎng)殼結構。剛性網(wǎng)殼由6榀主脊梁、24榀徑向輻射梁、4圈環(huán)向梁、內(nèi)環(huán)桁架、邊環(huán)桁架、天窗網(wǎng)殼、凸出屋面構件和懸挑構件組成。斜索、撐桿布置在主脊梁下,通過環(huán)向拉索的平衡作用對剛性網(wǎng)殼提供支承。屋蓋通過短柱以固定鉸的形式支承在下部鋼筋混凝土結構上。屋蓋凈跨度87.8m,計入挑檐跨度達97.9m,高度14.5m,矢跨比約為1/6。張弦網(wǎng)殼結構布置如圖1所示,結構徑向、環(huán)向布置的主要構件截面為:無凸出構件位置的主脊梁、徑向梁、環(huán)向梁截面分別為方鋼管□750×350×12×16,□700×300×10×12,□500×300×8×10;布置凸出構件位置的主脊梁、徑向梁、環(huán)向梁截面分別為□700×300×10×12,□600×300×8×10,□400×250×8×10。預應力拉索采用不銹鋼拉桿,第一圈鋼拉桿直徑90,第二圈65,第三圈45,第四、五圈32。應用ANSYS對張弦網(wǎng)殼結構的自振特性和地震響應進行分析,剛性網(wǎng)殼構件用Beam44單元模擬,拉索用Link10單元模擬,撐桿用Link8單元模擬。鋼拉桿屈服強度為550MPa,剛性網(wǎng)殼構件材料為Q345B,材料彈性模量取2.06×105N/mm2,泊松比取0.3。動力增量方程采用Newmark-β法求解。張弦網(wǎng)殼和上部剛性網(wǎng)殼結構的前50階頻率比較如圖2所示,圖3為剛性網(wǎng)殼和張弦網(wǎng)殼結構的前4階振型。由圖2可以看出,張弦網(wǎng)殼和其上部剛性網(wǎng)殼結構的自振頻率分布密集。張弦網(wǎng)殼的前2階頻率高于剛性網(wǎng)殼,而第2階以后的頻率均小于剛性網(wǎng)殼結構。由圖3可以看出,剛性網(wǎng)殼和張弦網(wǎng)殼的前2階振型都是以整體豎向振動為主的單軸反對稱的振型。剛性網(wǎng)殼的第三階為整體扭轉振型;第四階為以整體豎向振動為主的單軸對稱的振型。張弦網(wǎng)殼的第三階為第一圈索桿的扭轉振型;第四階為第二圈索桿的扭轉振型。預應力索桿對結構整體豎向剛度具有提高作用,使張弦網(wǎng)殼比剛性網(wǎng)殼前2階振型對應的頻率值提高。但由于索桿體系的抗扭剛度相對較弱,張弦網(wǎng)殼結構存在較低階的索桿單獨扭轉振動的振型,因此從出現(xiàn)索桿扭轉的第三階振型開始,張弦網(wǎng)殼結構的自振頻率低于剛性網(wǎng)殼。結構整體振動的振型基本同時存在豎向和水平耦聯(lián)振動,但以豎向振動為主,可見與水平剛度相比,張弦網(wǎng)殼結構的豎向剛度相對較弱。分析表明,張弦網(wǎng)殼結構的自振頻率分布密集,若采用振型分解反應譜法計算張弦網(wǎng)殼結構的地震響應,至少取前32階振型才能滿足結構水平和豎向質量參與系數(shù)均大于90%的要求。3荷載的確定及模型的建立對張弦網(wǎng)殼結構進行水平、豎向8度多遇地震作用下的時程分析,采用歸一化的ElCentro地震波,如圖4所示。單向地震作用的水平加速度峰值70gal,豎向加速度峰值取水平加速度峰值的1/2。計算地震持續(xù)時間10s,輸入地震波時間間隔為0.02s,計算中采用粘滯阻尼理論來描述阻尼,阻尼比0.02。參照《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011—2001)(簡稱抗規(guī)),重力荷載代表值取恒+0.5雪。計算考慮結構的幾何非線性特征。3.1分析固岸結構的地震響應分析3.1.1張弦網(wǎng)殼結構的地震響應張弦網(wǎng)殼結構的主要構件受彎矩和軸力的聯(lián)合作用,單元最大應力為上下表面的彎曲應力和軸向應力的和,因此主要構件以最大應力定義地震內(nèi)力系數(shù),而拉索和撐桿以軸力定義地震內(nèi)力系數(shù)。構件地震內(nèi)力系數(shù)ξ定義為包括重力荷載代表值的地震作用效應SE與重力荷載代表值作用下構件的荷載效應SS的比值,即ξ=|SE/SS|(2)ξ=|SE/SS|(2)剛性網(wǎng)殼結構及索桿布置如圖5所示。構件的地震內(nèi)力系數(shù)分布如圖6所示,主脊梁和環(huán)向梁的最大應力見表1。圖6(a),(b)中,橫坐標節(jié)點位置與圖5(a)單元編號的順序對應,即單元1對應節(jié)點1,2;單元5對應節(jié)點5,6。由圖6可以看出,Z向、X向地震作用下,主脊梁、環(huán)向梁和撐桿的地震內(nèi)力系數(shù)幅值均小于1,水平、豎向地震作用產(chǎn)生同一量級的內(nèi)力響應。水平地震作用使主脊梁和環(huán)向梁4產(chǎn)生的地震內(nèi)力系數(shù)大于豎向地震作用,說明該張弦網(wǎng)殼結構水平地震作用對主脊梁、環(huán)向梁的內(nèi)力起控制作用?？挂?guī)第5.3.3條規(guī)定,長懸臂和其他大跨度結構的豎向地震作用標準值,8度和9度可分別取該結構構件重力荷載代表值的10%和20%,設計基本地震加速度為0.30g時,可取該結構構件重力荷載代表值的15%。由圖6可知,主脊梁、環(huán)向梁和撐桿的地震內(nèi)力系數(shù)分布不均勻,最大可達1.55,可見張弦網(wǎng)殼結構的地震作用不宜用簡單的地震內(nèi)力系數(shù)與重力荷載代表值乘積的形式確定。由表1可知,8度多遇地震作用下,主脊梁、環(huán)向梁最大應力分布與靜力荷載作用相同。主脊梁最大應力位于2,3單元相交節(jié)點處,環(huán)向梁最大應力位于與主脊梁相連的節(jié)點處。水平地震響應大于豎向地震響應,X向地震作用下,主脊梁最大應力為-93.39N/mm2,環(huán)向梁最大應力為-151.5N/mm2,大于靜力荷載效應,但低于材料的屈服強度。該張弦網(wǎng)殼結構在8度多遇地震作用下處于彈性工作范圍。3.1.2加速度對五圈斜索軸力的影響位于同一圈的斜索、環(huán)索和撐桿的軸力具有平衡關系,軸力時程曲線規(guī)律相同。對斜索的內(nèi)力變化規(guī)律進行分析,Z向、X向地震作用下斜索軸力時程曲線如圖7所示,斜索1,2,3的軸力時程曲線規(guī)律相近,斜索位置見圖5(b)。由圖7可以看出,五圈斜索軸力幅值隨地震作用在預應力和重力荷載代表值作用產(chǎn)生的軸力值上下震蕩,拉索軸力波形與輸入地震加速度波形相近,各圈索未松弛。地震波輸入的加速度峰值在2.12s處,斜索軸力在2.32s處達到峰值,可見加速度增大使斜索的軸力增大,但斜索軸力峰值滯后于地震波加速度峰值。各圈斜索的初始張拉力、質量分布和空間位置不同使得拉索的剛度和慣性性質不同,不同方向的地震作用產(chǎn)生的各圈斜索軸力的時程曲線不同。五圈斜索從外圈到內(nèi)圈的剛度隨軸力依次降低,豎向地震作用效應與水平地震作用效應相比逐漸減小。由圖7可以看出,豎向地震作用下斜索1軸力幅值遠大于相同時刻水平地震作用產(chǎn)生的軸力幅值,而相對獨立無環(huán)索平衡的斜索5的剛度很小,水平地震作用下其軸力峰值遠大于豎向地震作用產(chǎn)生的軸力峰值。3.1.3豎向和水平地震作用下網(wǎng)殼節(jié)點豎向位移對比分析張弦網(wǎng)殼結構具有代表性的節(jié)點位移時程可以反應出結構隨地震作用的變形情況。Z向、X向地震作用下,結構頂點和主脊梁跨中節(jié)點的豎向位移時程曲線如圖8所示。由圖8可以看出,Z向、X向地震作用下,結構節(jié)點位移幅值隨地震作用在預應力和重力荷載代表值作用下產(chǎn)生的位移值上下震蕩,即結構在正常使用的變形狀態(tài)上下震蕩;地震波的局部峰值引起節(jié)點位移時程曲線的局部峰值,只是稍滯后于地震作用;不同位置的節(jié)點、不同方向的地震響應達到峰值的時間不同,位移幅值在恒定值上下振蕩的頻率不同。由節(jié)點位移時程分析可知,除主脊梁節(jié)點外,徑向、環(huán)向構件相交節(jié)點在豎向地震作用下的位移幅值均大于水平地震作用下的位移幅值(圖8(a)),說明張弦網(wǎng)殼結構的整體豎向剛度較弱。主脊梁受撐桿、拉索的直接支撐作用,局部豎向剛度大于水平剛度,因此豎向地震作用下主脊梁節(jié)點豎向位移響應小于水平地震作用下的位移響應(圖8(b))。Z向(豎向)、X向地震作用下,主脊梁節(jié)點豎向位移最大值分別為28.37,55.83mm;主脊梁間的網(wǎng)殼豎向剛度相對較小,Z向、X向地震作用下網(wǎng)殼節(jié)點豎向位移最大值分別為-46.48,-40.86mm。也說明水平地震作用對主脊梁和與主脊梁相連的環(huán)向梁端的最大內(nèi)力起控制作用。上述分析表明,彈性時程分析中,結構的整體剛度和局部剛度分布都是影響結構動力響應的關鍵因素,不同方向地震作用對不同剛度分布的結構地震響應的影響規(guī)律不同。體育館屋頂建筑高度30.428m,該結構可列入高層民用建筑的范疇,根據(jù)《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》(JGJ99—98)4.3.2條規(guī)定,按9度抗震設防的高層建筑鋼結構,或者按8度和9度抗震設防的大跨度和長懸臂構件,應計入豎向地震作用,然而張弦網(wǎng)殼結構地震響應分析表明張弦網(wǎng)殼結構的水平和豎向地震作用效應相近,可見進行抗震設計的張弦網(wǎng)殼結構不僅要對水平地震作用進行計算,還應包括7度多遇豎向地震作用下結構的響應分析,以確保結構抗震設計的安全性。3.2下部結構抗側剛度和質量慣性張弦空間結構屋蓋支承在下部混凝土或鋼結構上,單獨計算的張弦結構通常不計下部支承結構的剛度,以理想的剛性支座形式為結構施加約束,但由于下部結構的側向剛度和質量慣性性質可對結構整體的動力特性產(chǎn)生影響,下部支承結構對張弦網(wǎng)殼結構抗震性能的影響需要進一步分析。參照文,以改變支座支承剛度和在支座處增加質量點的方法考慮屋蓋下部結構抗側剛度和質量慣性,彈性支座剛度取1000N/mm,下部結構的質量慣性用10m高1000×1000的混凝土柱子的質量集中在支座處模擬。對豎向8度多遇ElCentro地震波作用下的彈性支座張弦網(wǎng)殼結構進行分析,并與固定鉸支座結構進行比較,初步分析考慮上下部結構協(xié)同工作對上部結構抗震性能的影響規(guī)律。彈性支座和固定鉸支座張弦網(wǎng)殼結構的斜索1軸力時程曲線和頂點豎向位移時程曲線如圖9所示。由圖9可以看出,與固定鉸支座張弦網(wǎng)殼結構相比,彈性支座結構的斜索軸力峰值滯后,且較高,頂點豎向位移極值較大(彈性、固定鉸支座結構分別為27.35,25.53mm)。考慮下部結構剛度和質量慣性影響的結構整體剛度和慣性發(fā)生變化,使結構的地震響應增大。分析表明,考慮上下部結構協(xié)同工作可對張弦網(wǎng)殼結構的地震響應產(chǎn)生不利的影響,因此結構設計、分析中要采用上下部協(xié)同工作分析方法或合理考慮下部結構的影響。3.3度多遇地震作用下的評估由表1可知,在8度多遇ElCentro地震波作用下,張弦網(wǎng)殼結構環(huán)向梁的最大應力為151.5N/mm2。試驗研究表明,張拉成型的張弦網(wǎng)殼結構的非線性特征不明顯,若近似按線性特征考慮,在7度多遇地震作用下,環(huán)向梁最大應力為75.75N/mm2,在9度多遇地震作用下最大應力為303N/mm2,采用Q345B鋼的張弦網(wǎng)殼結構在7,8,9度多遇地震作用下處于彈性工作范圍。安徽大學體育館位于7度設防區(qū),7度罕遇地震作用下,最大應力超過屈服強度345N/mm2,構件進入塑性。對罕遇地震作用下,結構的塑性發(fā)展規(guī)律和抗震性能需要進一步深入分析,以驗證結構大震不倒的抗震性能。4索桿扭轉振型自振頻率隨地震自振特性的變化一個1)張弦網(wǎng)殼