作者：李海旺 任澜涛 杜成云 摘 要:文章采用数值分析方法,以单榀三心拱桁架为研究对象,分析了该结构在地震作用下的动力特性和动力响应,分析中考虑了不同地震波选取对结构动力响应的影响,可为相关设计和研究提供参考。
关键词:三心拱桁架;动力特性;时程分析法;动力响应
文章以某电厂120 m跨干煤棚网壳为背景,该工程网壳高度43.75 m,网壳平面尺寸210 m×120 m,网格大小为4.2 m×4.5 m,投影面积用钢量为50 kg/m2,整个网壳结构采用螺栓球节点三心圆柱面拱桁架结构。三心拱桁架是指跨向断面为三心圆的拱桁架结构,采用三心圆体型的跨向断面比圆柱面体型更能充分利用内部空间,降低结构标高。中国作为多地震国家,80%以上大中城市处于地震区,而三心拱桁架作为一种大跨空间结构,研究其在地震作用下的动力响应具有重要实际意义。文章使用数值方法,采用ANSYS分析程序研究了单榀三心拱桁架在地震作用下的动力响应问题,研究中考虑了不同地震波选取等因素的影响。
1 基本参数和计算模型
1.1 基本参数
以具有工程意义的120 m跨度拱桁架为研究对象,三角形截面,截面高3.8 m,上下弦双排支座。网壳跨向网格数为37格,其中大圆的半径R=80.922 m,圆弧夹角73.26°,网格数为23格,小圆半径r =29.024 m,圆弧夹角53.37°,网格数为6格,两侧垂直落地各加1个网格。材料选用Q235钢,按结构设计要求,上下弦采用?准180×12,中间腹杆层和弦腹杆采用?准159×8。考虑Ⅱ类场地,8度设防烈度,地震波选用2条实际强震记录和1条人工波,2条实际强震记录分别为:EL-Centro波、宁河波,将地震记录加速度峰值按8度罕遇地震调整为400 cm/s2。
1.2 计算模型
有限元分析中,杆件选用LINK8杆单元,节点集中质量采用MASS21单元,上弦边跨每个节点为482 kg,中部963 kg。桁架两端为三向不动铰。分析中主要考虑平面内的地震响应,并在平面外设置侧向支撑,将其中间及1/4处节点Z方向变形进行约束。有限元模型见图1。
2 动力特性分析
结构的自振特性是其本身的固有特性,只与结构的自重、刚度及质量分布等因素有关,是衡量结构质量和刚度是否匹配,刚度是否合理的重要指标。此外,准确把握结构的自振特性还能避免与动力荷载发生共振的危险。因此,对结构进行自振特性分析具有重要的意义。
计算采用子空间迭代法,所得结构的前10阶自振频率见表1。
由上可知,结构振型在前10阶变化较大,其中以中间结构的竖向振动为主,中间夹杂个别平动扭转振型,可见相对于水平方向,结构竖向刚度较弱,且主要表现为上下弦杆的振动,腹杆振型很小。第七、九振型为空间复杂振型,上下弦杆及腹杆振型都很显著,第九振型严格按照对称分布。
3 地震响应结果与分析
根据规范,对于该建筑,采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。时程分析法又称直接动力法,它在结构底部输入按时段数值化的地震记录和人工合成的地震波,通过动力计算的方法求出结构在地震过程中每一时刻的位移和变形情况,从而计算出结构在地震作用下的地震作用效应。文章考虑阻尼影响,采用EL-Centro波,分别对其沿水平向(X)及竖向(Y)输入波时的地震响应进行了研究。EL-Centro波波形图见图3。
3.1 沿X向输入地震波
当地震波沿X向输入时,结构的位移响应以水平向(X向)为主,其位移响应图与第一振型图相似,表明当沿结构X方向输入地震波时,其结构第一振型的贡献最大。最大位移发生在下弦临近1/4处的节点,其值为7.067 mm。特征节点位移时程曲线见图4,对应最大位移时刻的上下弦变形图,见图6、图7。
结构的内力响应以轴力为主,最大轴力发生在下弦支座附近的单元,其值为-83.34 kN,特征单元的时程曲线见图5,相应时刻上下弦轴力图,见图8、图9。
由图6、7可看出,在水平向地震波作用下,结构的上下弦变形相近,均在1/4位置处最大,由图8、9可看出,上下弦轴力云图对称分布,上弦最大轴力出现在左支座处,中间处最小,下弦最大轴力出现在左支座处,中间处最小,支承腿部位内力远大于其他部位的内力。 3.2 沿Y向输入地震波
当地震波沿结构Y向输入时,结构的位移响应以竖向(Y向)为主,最大位移发生在下弦1/2处的节点,其值为7.135 mm。特征节点位移时程曲线见图10,相应时刻上下弦变形图见图12、图13。
结,的内力响应以轴力为主,最大轴力发生在下弦支座附近的单元,其值为-69.41 kN,特征单元的时程曲线见图11,相应时刻上下弦轴力图见图14、图15。
由图12、13可看出,在竖向地震波作用下,结构的上下弦变形相近,最大变形均发生在中间处。由图14、15可看出上下弦轴力分布相似,上弦轴力在支座处最大,1/4位置处最小。下弦轴力在临近支座处最大,1/4位置处最小,上弦杆件在跨中区域承受压力,在两侧承受压力;下弦杆件在跨中区域承受压力,在支座处承受拉力。
4 不同地震波选取对结构地震响应的影响
为考虑不同地震波对结构响应的影响,另外选取了宁河波和人工波进行时程分析,并与EL-centro波相应结果进行比较。
沿水平及竖向输入时,不同地震波作用下结构的位移响应分别以X向、Y向为主,相应的最大位移响应值见表2。
由表2、表3可见,3条地震波引起的位移响应、轴力响应差别较大,其中以人工波作用下的响应最大,EI波的响应次之,宁河波的响应最小。
5 结论
通过对三心拱桁架的地震作用时程分析,可得以下结论:
(1)计算结果表明,EL波水平和竖向地震作用下,支承腿部位内力远大于其他部位的内力。
(2)结构最大位移发生在结构中点及临近1/4处,水平地震作用下,水平位移最大;竖向地震作用下,竖向位移最大,最大轴力发生在支座处。水平地震作用下,结构对支座的推力较大,因此设计中应予以充分重视。