大跨空间网架结构多点输入地震反应研究.pdf

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大跨空间网架结构多点输入地震反应研究王臣(中国煤炭科工集团武汉设计研究院建筑分院，湖北武汉430000)摘要：本文进行了多点地震动输入时，大跨空间网架结构的动力有限元分析，介绍了求解动力方程的方法，并且给出了运用大型有限元软件实现的过程，通过具体算例的分析，给出了空间大跨网架结构多点地震动输入下的动力性能规律，对工程具有一定的指导意义。关键词：大跨空间；网架结构；多点输入；地震反应中图分类号：TU311．3文献标识码：B文章编号：1672—4011(2010)04—0055—020前言大跨空间结构得到了越来越多应用的同时，对其动力性能也提出了更高的要求⋯。由于地震波速度一般为每秒几百米至几千米，同时震源也可能不止一个点，而大跨空间结构的跨度较大，各支座间的距离较远，这样就容易导致结构各支座点的地震响应并不一致，存在着空间和时间上的差异旧J。因此，研究考虑地震动空间变化特性对大跨空间结构的影响具有重要的理论意义和工程应用价值。多点地震动输入动力方程多点激励下结构的运动方程的建立，对于大跨网架结构，是把结构反应的总位移分为拟静态位移与动力相对位移之和，其运动方程可以用分块的形式表示为【3J：【象象]{耋)+【cCku‘乏){≥)+【乏乏】{薹)+{皇)(1)式中置、x。和x，分别表示地震激励下结构非支座节点的位移、速度和加速度向量；五、瓦和瓦和分别表示地震激励下各支座节点的强迫位移、速度和加速度向量；F。表示地震动作用于网架结构各地面支座节点的力。2动力学方程求解展开公式(1)第一行得到HJ：M。X|+C。。X．+K。。X．=一Md?Xh—C^Xb—KmXh(2、将结构支座节点位移置分解成解成拟静态位移yJ和动力相对位移L两部分，即鼢鼢{})(3)M。Y。l+c。．Y。I+K|．Yd=一M。．Y|一C。Y。一Md．XI，一C^Xh(6)在c·，式中用{孑批替{≥)，可得到：M。。Y。l+C。Y{+K。Y。I=一MssY。一M^Xb0’)将式(4)代人式(7)可得肘。K+C。K+K，H=一(M，，Ot+帆)瓦(8)式中d=一K，。1K。称为拟静模态矩阵；M。为结构内部节点对地面支座节点的质量贡献；b为结构内部节点对支座节点自由度的贡献。对于集中质量矩阵，令M。=0，这样(8)式为：M。K+C；。圯+瓦K=一M。od(6(9)式(9)是多点激励下结构地震反应的基本运动方程。3多点输入实现地震时地面运动加速度地震反应是很复杂的，所以运动微分方程不能直接求出解析解。当进行弹性分析时，可以用振型分解法与计算；当弹塑性地震反应分析时，则需要运用逐步积分法进行分析，逐步积分可用增量法和迭代法¨。6J。在ANSYS软件中，地震响应分析加速度的施加，可以用APDL命令制定结构的时间一加速度历程，在加速度方向约束地基节点，这时只需要为每一荷载步指定时间和相应的加速度的方向和大／J,Bp可。具体过程为：建立有限元模型并设置支座约束一选定求解类型一确定载荷步选项和分析选项一定义第一支座所需地震波文件并输人数据一根据各支座问时差定义并输入其他支座需要的地震波文件一等待求解过程一进行计算数据的后处理4算例分析一矩形正放四角锥网架(120mX60m)，有613个节点，2304根杆件，网格尺寸5mX5m，共27个支座。如图l所示，网架模型为杆单元铰节点模型，杆件材料为()235钢．密度7800kg／m3，弹性模量210000GPa，泊松比0．3。Ⅲ类场地，地震设防烈度为8度，采用真实强震E1一Centro波进行输入分析。视波速设为300m／s。其中拟静态位移yI可以通过令(1)式中所有动力项为零求得如下：E=一K。1K。瓦(4)将式(3)代入式(2)得：|】lf。K+cJ，K+也K=一丝，yl—Qyl—K，圪一肘，一瓦一cJ6兄一亿五(5)图1120m×60m网架计算模型将式(4)代入式(5)得：(下转第57页) 滑移摩擦力时趋于稳定。没有复位向心机构时，将有一残余位移。残余位移与加速度峰值并不成比例。从数据上分析可得，位移的大小与频谱特性有很大的关系，即地震波所包含的频率成分，它与场地条件和震中距离有关。此外，从位移响应时程曲线‘3J可以看出，即使停止了地震激励，结构的运动也不会立刻停止下来，因此持时对结构位移的影响不可忽略"J。3不同结构基本周期对滑移位移量的影响由于分析模型的上部结构为梁、板、柱组成，板与梁组成的面内刚度相对很大，因此柱子刚度的变化对上部结构的整体刚度影响较大，本节就将针对改变结构柱子的截面尺寸来间接改变结构自振周期分析不同地震波对结构的滑移位移量的影响。摩擦系数仍取0．1，箱型柱壁厚分别取0．02m和0．04m，在8度地震作用下，茹。=0．259，分别输人四类场地的四条不同地震波，研究滑移隔震结构的响应特性。分析结果见表2、表3。表2壁厚不同时结构基本振动频率(单位：HZ)自振特性第一阶振型第二阶振型第三阶振型第四阶振型柱子壁厚0．023．19803．49794．459l10．591柱子壁厚0．043．50353．91484．795110．663计算结果可以得出，随着上部结构刚度的变大，位移的变化相应滞后。因此，可以说上部结构整体刚度越大，基底滑移位移越小。4结论通过以上有限元计算结果可以总结，滑移隔震结构主要表现为以下特性：(1)由计算结果可知，相同地震烈下，摩擦系数越小，隔震层的滑移位移也越大。没有复位向心机构时，将有一残余位移。残余位移与加速度峰值并不成比例增加。对于特殊的地震波(如ELeentro波)，位移的大小与频谱特性有非常大的关系，即地震波所包含的频率成分，它与场地条件和震中距离有关。这类波应特殊进行计算处理。建议摩擦系数取0．1左右，同时要根据情况采取限位措施。(2)柱子壁厚变大，刚度随着变大，自振周期相应变小，最大位移总体来说相应变小，但是变化不是很明显。由此也可以说明隔震体系上部结构基本是整体平动，上部刚度影响不大，正是说明了隔震的效果。[ID：6032]参考文献：[1]唐家祥，刘再华．建筑结构基础隔震[M]．武汉：华中理工大学童!一望望罂黑挈里!；攀登竺堕譬型．[2]高磊二磊构减震控制[M]．艨：地震出版蝴997．场地类别J自振周期I一类I二类f三类I四类刘超宝．滑移隔震结构滑移量的分析[D]．西安：西安／_h[3JANSYS；熏爿芝辛剥熏#蒸㈧瓣麓翟≥础滑移隔震的姻榭舢西安掣鎏业引型生牌斜业斗塑L卜生一薹釜磊蓑磊2⋯002,(1⋯2)■⋯⋯⋯⋯⋯“⋯h壁厚=0．04时』1．793』0．3401．0172．8111．261⋯⋯⋯’。厦：1。2∥∞究[J]．振动与冲击，2003，(3)．后，位移总体相应变小，但是变化不是很明显。从taft波的EngineeringandStructuralDyrm妇．1992，Vol·21：757—769·图2节点1处UX住移时程曲线可以看出，E1一Centro波作用下的单点输入中，无论是支座节点还是跨中节点的位移时程曲线在整个过程中存在时而增大时而减小的波动中。多点输入时，支座节点的位移时程曲线总体有随时间推移逐步减小的趋势。南北向输入时，单点输入动力响应强于多点输入，东西向输入时，单点输入动力响应包含在多点输入的范围之内。说明随着网架尺寸的增大，多点输入表现的很明显，值得引起注意。5总结本文对大跨网架结构进行了多点地震动输入下的动力分析，运用大型有限元软件ANSYS进行了算例分析，进行参考文献：[1]邸龙．复杂条件下大跨度空间柱面网壳结构的抗震研究[D]．上海：同济大学，2006．[2]孙建梅．多点输入下大跨空间结构抗震性能和分析方法的研究[D]：南京：东南大学．2005．[3]储烨，叶继红．大跨空间网格结构在多点输入下的弹翅性地震响应分析[J]．空间结构，2006，(02)：28—33．[4]刘文华．大跨复杂结构在多点地震动激励作用下的非线性反应分析[D]．北京：北京交通大学，2007．[5]丁阳，林伟，李忠献．大跨度空间结构多维多点非平稳随机地震反应分析[J]．工程力学，2007，(03)：97—103．[6]沈顺高，张微敬，朱丹，钱稼茹，裴永忠．大跨度机库结构多点输入地震反应分析[j]．土木工程学报，2008，(02)：17—21．