巨型网格结构的动力特性 地震响应及结构简化计算方法分析

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1、摘要本报告在原有研究的基础上，进一步研究了巨型网格结构的动力特性、地震响应特性等，针对结构杆件、节点多、计算工作量大的特点，探索研究了巨型网格结构的一些简化计算方法，主要包括：回顾了根据非线性理论推导大位移小应变条件下梁单元与杆单元切线刚度矩阵的过程，从u．L格式出发，建立了交叉立体桁架系巨型网格结构的几何非线性力学模型；综述了迄今为止比较有效的非线性方程组求解方法与全过程跟踪策略。对结构全过程跟踪给出了几点改进措施，采用法平面约束与柱面弧长法约束相结合的全过程跟踪策略，编制了相应的几何非线性稳定分析程序。回顾研究了结构动力特性、地震反应分析的基本理论，包括予空间迭代法求解结构特征方程

2、、振型分解反应谱法及时程分析法求解结构地震响应等。根据研究需要，引入了空间杆单元与梁单元的一致质量矩阵与集中质量矩阵。根据圆柱面交叉立体桁架系巨型网格结构的特点，采用Newmark法与修正的Newton．Raphson法相结合的计算策略，详细推导了结构几何非线性地震反应分析的计算过程与列式，编制了结构动力分析程序，可求解结构的振型、白振频率等动力特性，可用振型分解反应谱法求解结构的地震响应，可进行结构，L何非线性地震响应时程分析及其它动力反应分析。针对分别采用叉筒网壳子结构及平板网架子结构的圆柱面交叉立体桁架系巨型网格结构进行了如下一些方面的研究：1)研究了结构的基本自振特性，包括主体

3、结构单独承载及其与子结构协同承载两种情况下的自振频谱规律、结构前面若干低阶振型特征等；就各方向首阶振型的出现次序及其对应周期值进行了一系列的参数分析，从而了解了不同参数变化对结构各方向刚度的影响。2)采用振型分解反应谱法对结构的地震响应特性进行了研究，研究了主体结构立体桁架拱、纵向立体桁架及子结构杆件动内力及动静内力比值的分布规律，就用振型分解反应谱法对该结构进行抗震验算时所需的振型阶数进行了研究，并研究了不同方向地震波作用对结构动内力的影响，了解了对该结构进行抗震验算所需考虑的地震波作用方向及组合维数。最后以结构内部杆件动内力峰值为指标进行了一系列参数分析。对圆柱面交叉立体桁架系巨型

4、网格结构地震响应进行了几何非线性时程分析，分析时采用EL—centro地震加速度时程记录。针对结构在主体结构单独承载及与子结构协同承载两种情况，首先分析了立体桁架拱内关键节点及关键杆件的地震响应时程曲线，了解了结构的地震响应基本时程特性：然后对结构进行了不同方向地震波作用下的时程对比分析，进一步论证了该结构抗震验算需考虑三维地震作用：最后用振型分解反应谱法与时程法对结构的地震响应进行了对比分析，说明了对于本文的巨型网格结构，反应谱法呵用作初步的抗震分析，最终还需用时程法进行验算。针对巨型网格结构杆件、节点多、计算工作量大的特点，进行了一些简化计算方面的研究。1)根据结构特点，提出了单拱

5、计算的方法：将中间立体桁架拱单独取出代替整个结构进行分析，与纵向立体桁架交叉处的节点加之以纵向(立体桁架拱平面外)约束，以保持立体桁架拱平面外的稳定性，对单拱模型用普通有限元法进行计算。对比分析结果表明，该法计算误差在8％以内，计算工作量大大减小，但不便考虑子结构的协同承载。2)提出了超级有限元与子结构相结合的求解方法：采用三节点立体桁架超级元来处理主体结构中的立体桁架，用子结构法来处理大网格内的子结构。文中推导了立体桁架超级元刚度矩阵及子结构参与协同承载时对整体结构的刚度贡献。编程对比计算分析表明，该方法计算精度高，计算工作量较完全有限元法明显降低，且可计及子结构的参与协同承载，是分

6、析巨型网格结构的～种比较优越的方法。根据空间网格结构的特点，针对巨型网格结构计算分析的需要，采用AutoCAD为平台、Visualc++6．0、ObjectARX为开发环境，研制了各模块完全集中的新型空间网格结构计算机辅助设计系统软件——_NsTRCAD。可分析与设计普通网架、网壳、空问框架结构，也可分析斜拉网格结构、预应力网格结构等，可分析结构静力、动力与稳定性。通过本站期问的研究，为巨型网格结构的工程应用进一步奠定了理论基础。关键词：巨型网格结构，主体结构，子结构，交叉立体桁架系，又筒网壳，几何非线性动力特性，地震响应，超级有限元，NSTRCAD软件AbstractInthisre

7、portmoreresearchwereproceededaboutdynamicandseismicpropertyofthenewstructuralsystem--reticulatedmega-structurebaseontheinhereresearch．Somesimplifiedanalysismethodswerestudiedbecauseofthelargecostcalculationtimecausedforitsma