弦支懸架結(jié)構(gòu)體系的地震響應(yīng)分析

弦支懸架結(jié)構(gòu)體系的地震響應(yīng)分析

一、基于anasys有限元的地震反應(yīng)模型根據(jù)天津保利功能區(qū)屋頂層屋頂工程，對環(huán)索預(yù)測方法進行了導(dǎo)出，并使用ansss金元程序?qū)Y(jié)構(gòu)進行了建模分析和地震作用下的時程分析。計算模型如圖3所示。采用脈動激勵法和錘擊激勵法對直徑為18.5m的弦支穹頂結(jié)構(gòu)進行了動力實驗,初步研究了弦支穹頂?shù)念l率特性。二、弦樂支架頂板的預(yù)壓弦支穹頂結(jié)構(gòu)中索的預(yù)應(yīng)力設(shè)計一般采用反復(fù)試驗,逐步逼近的方法。為了改進這種設(shè)計方法這里提出了一種簡便方法。1.節(jié)點平衡方程保稅區(qū)商務(wù)中心弦支穹頂屋蓋共設(shè)五道環(huán)索,第一道為最外圈環(huán)索,第五道為最內(nèi)圈環(huán)索,結(jié)構(gòu)節(jié)點受力圖見圖1。圖中,Nrj(j=1,2,3,4,5)為第j道環(huán)索處徑向索的軸力;Nhcj為第j道環(huán)向索的軸力;Nvji為第i道環(huán)索預(yù)應(yīng)力引起的第j道環(huán)索處撐桿的軸力;Nhrj為Nrj在水平面XOY內(nèi)的軸向力分量;αj為第j道環(huán)索相鄰索段的夾角;βj為第j道環(huán)索位置處相鄰徑向索在水平面XOY上投影的夾角;γi為第i道環(huán)索位置處徑向索與豎向撐桿的夾角。由圖1(a),第i道環(huán)索預(yù)應(yīng)力引起的第j道環(huán)索處撐桿的軸向力可以表示為:Νvji=2Νh(huán)risinγicosγi=2Νh(huán)ricotγi(1)Nvji=2Nhrisinγicosγi=2Nhricotγi(1)由圖1(b)得節(jié)點平衡方程:Νh(huán)rjcos(βj/2)=Νh(huán)cjcos(αj/2)(2)Nhrjcos(βj/2)=Nhcjcos(αj/2)(2)合并式(1),(2),得Νvji=2Νh(huán)cicotγicos(αi/2)cos(βi/2)(3)Nvji=2Nhcicotγicos(αi/2)cos(βi/2)(3)事實上,在不同環(huán)索位置處,αj,βj和γi的數(shù)值非常接近。因此,為便于設(shè)計,將它們?nèi)槌?shù),即αj,βj和γi的取值不隨環(huán)索位置的改變而改變。對于給定的幾何形狀,式(3)簡化為Νvji=ΚΝh(huán)ci(4)Nvji=KNhci(4)式中定義K為Κ=2cotγicos(αi/2)cos(βi/2)K=2cotγicos(αi/2)cos(βi/2)當(dāng)j=1時即在第一道環(huán)索處,式(4)表明,水平環(huán)索的預(yù)應(yīng)力Nhc1在此處的撐桿中產(chǎn)生垂直向上的分力,數(shù)值大小為KNhc1。與此同時,第二道環(huán)索的預(yù)應(yīng)力Nhc2在該撐桿中產(chǎn)生垂直向下的分力,數(shù)值大小為KNhc2。這樣,由第一道和第二道環(huán)索預(yù)應(yīng)力引起的撐桿中的垂直向上的力為K(Nhc1-Nhc2),同理可得預(yù)應(yīng)力在其它撐桿中產(chǎn)生的力。不同環(huán)索位置處撐桿的垂直向上的力與單層網(wǎng)殼上均布荷載產(chǎn)生的等效節(jié)點力相平衡。本例單層網(wǎng)殼層各節(jié)點處桿件所圍合的空間在水平面上的投影面積非常接近,這就導(dǎo)致均布外荷載產(chǎn)生的節(jié)點力非常接近,可近似認(rèn)為相等。由此可得,由預(yù)應(yīng)力在撐桿中產(chǎn)生的力相等。建議將5道環(huán)索中的預(yù)應(yīng)力比值由外圈向中心設(shè)為5∶4∶3∶2∶1,以此作為非線性分析的基礎(chǔ)。對于一般的弦支穹頂結(jié)構(gòu),設(shè)有n道環(huán)索,預(yù)應(yīng)力比值可設(shè)為n∶n-1∶n-2∶…∶1。2.錨索預(yù)應(yīng)力值插值及插值對比預(yù)應(yīng)力比值確定后,只要知道了第一道環(huán)索的預(yù)應(yīng)力,其它索的預(yù)應(yīng)力根據(jù)比例很容易計算出來。以減小甚至消除弦支穹頂對支承體系的水平推力(即支座節(jié)點在索內(nèi)預(yù)拉力及屋面荷載的共同作用下水平徑向位移接近于零)為標(biāo)準(zhǔn)來確定第一道環(huán)索的預(yù)應(yīng)力。可以分以下兩步來實現(xiàn):1)計算不同外荷載取值下,環(huán)索中未施加預(yù)應(yīng)力時結(jié)構(gòu)的水平徑向位移,支座處節(jié)點位移值見表1;2)計算沒有外荷載而只有索預(yù)應(yīng)力作用時結(jié)構(gòu)的水平徑向位移,第一道環(huán)索分別取不同的預(yù)應(yīng)力值,其它環(huán)索預(yù)應(yīng)力值根據(jù)比值5∶4∶3∶2∶1來確定,支座節(jié)點處位移見表2。第一道環(huán)索預(yù)應(yīng)力值由以下步驟確定:1)計算出作用在結(jié)構(gòu)上均布荷載的等效節(jié)點荷載,本例中,單層網(wǎng)殼上均布豎向外荷載為1.5kN/m2,等效節(jié)點荷載為10kN;2)根據(jù)確定的等效節(jié)點荷載和表1的計算結(jié)果,由插值法確定結(jié)構(gòu)支座處節(jié)點的水平徑向位移為17mm;3)為消除外荷載產(chǎn)生的水平徑向位移,由環(huán)索預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的水平徑向位移應(yīng)為-17mm,根據(jù)表2插值確定第一道環(huán)索的預(yù)應(yīng)力值為235kN。將其作為第一道環(huán)索的預(yù)應(yīng)力值,其它環(huán)索預(yù)應(yīng)力值按比例類推。三、性能分析1.振型略的對比用ANSYS程序?qū)ι虅?wù)中心弦支穹頂結(jié)構(gòu)和單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)分別進行模態(tài)分析,前6階自振頻率列于表3,弦支穹頂?shù)恼裥鸵妶D2,單層網(wǎng)殼的振型略。分析可得,兩者的模態(tài)沒有顯著的差別。弦支穹頂?shù)那皫纂A自振頻率高于單層網(wǎng)殼,后面的自振頻率低于相應(yīng)的單層網(wǎng)殼。隨著預(yù)應(yīng)力的增大,弦支穹頂結(jié)構(gòu)的前幾階自振頻率隨之提高。2.應(yīng)力索對單元應(yīng)力的影響假定結(jié)構(gòu)阻尼比為0.02,輸入ElCentro地震波。圖3,4顯示了弦支穹頂結(jié)構(gòu)和單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)單元1的應(yīng)力時程曲線。兩種結(jié)構(gòu)典型單元的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力列于表4。表中結(jié)果表明,弦支穹頂結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力索對抗震性能的改善起了相當(dāng)大的作用,它大大降低了單元中的最大應(yīng)力,尤其對最外圈單元的作用更為明顯。弦支穹頂?shù)谝坏拉h(huán)索始終處于拉應(yīng)力狀態(tài),圖5為該索單元的應(yīng)力時程曲線。值得一提的是,在地震作用下,弦支穹頂中即使有個別索段松弛,但由于上部結(jié)構(gòu)的剛性連接,結(jié)構(gòu)仍能維持形態(tài)而繼續(xù)承受荷載。四、弦支部分不穩(wěn)定因素分別采用脈動激勵法和錘擊激勵法對直徑為18.5m的實物弦支穹頂結(jié)構(gòu)進行了動力實驗,初步研究了弦支穹頂?shù)念l率特性。該結(jié)構(gòu)上部單層網(wǎng)殼層網(wǎng)格劃分形式為凱威特聯(lián)方型,下部結(jié)構(gòu)中徑向索的次外圈和最內(nèi)圈為半圈索半圈桿結(jié)構(gòu),鋼管單元規(guī)格為?48×3.5,?60×3.5,?76×3.7,鋼絲繩為7×19?7.7,采用焊接球節(jié)點形式,見圖6。1.能量激勵及邊界條件根據(jù)理論計算得出的結(jié)構(gòu)自振特性,分別采用環(huán)境激勵(大地脈動)和錘擊激勵兩種方案對結(jié)構(gòu)進行動力實驗。環(huán)境激勵法無需對結(jié)構(gòu)施加其它不容易辦到或費用昂貴的激勵,模態(tài)參數(shù)符合實際工況及邊界條件,能真實地反映結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的動力特性。各測點在大地脈動激勵下的位移響應(yīng)信號是由智能信號采集處理分析儀IVN306D自動采集。錘擊激勵法提供瞬態(tài)激勵,在感興趣的頻率范圍內(nèi),能一次激出系統(tǒng)的各階模態(tài),更換沖擊錘錘帽可以得到不同的沖擊力譜,選擇不同重量的錘頭可以得到不同能量的激勵信號,加之設(shè)備簡單,價格低廉,使用方便,對工作環(huán)境適應(yīng)性強,非常適合于現(xiàn)場測試。測點選擇及激勵點位置見圖7,在整體坐標(biāo)系中,測點1上設(shè)置了z向和x向位移傳感器,其余測點上只設(shè)置z向位移傳感器,點M為第1,2次錘擊點,點N為第3,4次錘擊點。2.傳遞函數(shù)圖的傳遞函數(shù)圖圖8繪出了大地脈動激勵下單蹤頻域分析得出的測點1第一次采樣的自功率譜圖,圖9繪出了錘擊激勵下測點1第一次采樣的傳遞函數(shù)圖。由于測點數(shù)量的原因還不能充分確定結(jié)構(gòu)真正的自振頻率,而只能判斷出結(jié)構(gòu)自振頻率的大致取值和范圍,表5列出各測點自振頻率的試驗值,與ANSYS計算的理論值比較后發(fā)現(xiàn),對于較低階自振頻率,理論計算結(jié)果均能在環(huán)境激勵法和錘擊激勵法的實驗結(jié)果中找到相應(yīng)的值,證明理論計算中對結(jié)構(gòu)計算模型的簡化及邊界條件的模擬是合理的。五、張拉伸長網(wǎng)殼內(nèi)振型設(shè)計方案推導(dǎo)出的環(huán)索預(yù)應(yīng)力的設(shè)定公式,可確定不同幾何參數(shù)的弦支穹頂結(jié)構(gòu)的環(huán)索預(yù)應(yīng)力。在此基礎(chǔ)上,對弦支穹頂結(jié)構(gòu)進行了模態(tài)分析,得出了結(jié)構(gòu)各階頻率和振型,與相應(yīng)的單層網(wǎng)殼相比,其剛度有所增大,前幾階自振頻率有所提高,振型與相應(yīng)的單層網(wǎng)殼相比沒有本質(zhì)的