不同類型單層球面網(wǎng)殼動(dòng)力時(shí)程分析

吳軍強(qiáng)， 李海旺

(太原理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，太原 030024)

不同類型單層球面網(wǎng)殼動(dòng)力時(shí)程分析

吳軍強(qiáng)， 李海旺

(太原理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，太原 030024)

本文利用ansys有限元軟件，以60m跨的凱威特、施威德勒、聯(lián)方型單層球面網(wǎng)殼為研究對(duì)象，研究其彈塑性動(dòng)力失穩(wěn)情況.設(shè)計(jì)時(shí)考慮材料幾何非線性效應(yīng)，鋼材選為雙線性彈性材料模型.采用增大地震峰值加速度的方法，通過(guò)選用四條地震波和一條人工地震波，對(duì)不同網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和抗震性能進(jìn)行了討論.并對(duì)不同網(wǎng)殼的抗震性能及地震波的選取提出了建議.

ansys有限元軟件；單層球面網(wǎng)殼；彈塑性；地震峰值加速度

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)作為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的一種，具有較好的安全性，經(jīng)濟(jì)性，適用性的優(yōu)點(diǎn)[1].其桿件比較單一， 受力比較合理，結(jié)構(gòu)的剛度大、跨越能力強(qiáng)，兼具桿系結(jié)構(gòu)和薄殼結(jié)構(gòu)的主要特性.因其造型美觀，綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好，被廣泛的應(yīng)用于各種體育場(chǎng)館、會(huì)展中心、工業(yè)廠房，標(biāo)志性結(jié)構(gòu)等人員活動(dòng)比較集中的場(chǎng)所[2].

大跨空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的振動(dòng)規(guī)律除與地震荷載有關(guān)，還與結(jié)構(gòu)自振特性緊密相關(guān)[3].目前網(wǎng)殼的研究主要集中在同一種網(wǎng)殼的矢跨比，截面尺寸，荷載作用方式的靜力動(dòng)力分析等[4-7]，隨著研究的深入，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在動(dòng)力作用下的失效機(jī)理受到了國(guó)內(nèi)外專家的關(guān)注[8-10]，而對(duì)不同網(wǎng)殼類型間的比較研究較少.

本文探討了跨度為60m，矢跨比為1/4的凱威特，施威德勒，聯(lián)方型三種單層球面網(wǎng)殼，承受相同的荷載，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05時(shí)不同地震波下結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng).分析影響結(jié)構(gòu)抗震的主要因素，及網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)類型不同，對(duì)抗震的影響.

1 計(jì)算模型與參數(shù)

本文采用的結(jié)構(gòu)模型是跨度為60m的凱威特，施威德勒，聯(lián)方型單層球面網(wǎng)殼，矢高15m，環(huán)向分為36段，徑向分為8段.下部結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，支座固接.網(wǎng)殼所有桿件均采用Q235電焊鋼管.桿件采用梁?jiǎn)卧猙eam188，考慮梁?jiǎn)卧拇笞冃魏痛筠D(zhuǎn)角，節(jié)點(diǎn)集中質(zhì)量單元采用Mass21，鋼材采用雙線性彈塑性材料等向強(qiáng)化模型.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)截面尺寸和用鋼量見(jiàn)表1.

表1 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)截面尺寸和用鋼量

采用密度為7850kg/m3，彈性模量為2.06×105MPa，切線模量為6.18×103MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為235MPa.以結(jié)構(gòu)擬建地太原為例，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，計(jì)算時(shí)要考慮雙向地震作用，設(shè)計(jì)分組為第一組，抗震設(shè)防烈度取8度0.2g，場(chǎng)地類別為III類，場(chǎng)地地震反應(yīng)譜特征周期是0.45s，設(shè)計(jì)阻尼比為0.05[11].根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[12]恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值取0.5KN/m2，活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取0.3KN/m2,風(fēng)荷載取0.3KN/m2.網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)編號(hào)從內(nèi)圈開(kāi)始，逐步增大.本文選取了五條地震波(見(jiàn)圖1—圖5)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，其中人工地震波是按照太原地區(qū)8度地震的要求確定的.

圖1 Northr 波(特征周期0.36s)

圖2 Kocaeli波(特征周期0.7s)

圖3 EI-Centro波(特征周期0.6s)

圖4 人工波(特征周期0.45s)

圖5 Chichi波(特征周期0.42s)

2 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)分析

模態(tài)分析用于分析結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，是結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的基礎(chǔ).本文根據(jù)ansys有限元分析軟件，對(duì)結(jié)構(gòu)彈性階段進(jìn)行模態(tài)分析，分別選結(jié)構(gòu)的前20階振型進(jìn)行比較.見(jiàn)表2和圖6.

從表2和圖6可以看出，總體上，凱威特網(wǎng)殼和聯(lián)方網(wǎng)殼周期相近，施威德勒網(wǎng)殼較小，后者網(wǎng)殼整體剛度大.到20階時(shí)，凱威特和聯(lián)方周期為0.26s，振動(dòng)模態(tài)曲線幾乎重合，施威德勒為0.22s.

表2 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)前20階振動(dòng)周期表

三種網(wǎng)殼的前2個(gè)周期幾乎相等，變化小，第三階開(kāi)始，周期比前2階小了很多.從圖6可以看出，三種網(wǎng)殼的振型變化規(guī)律相似，故本文選了具有代表性的凱威特網(wǎng)殼模態(tài)圖進(jìn)行分析，見(jiàn)圖7—12.可以看出，網(wǎng)殼的前二階主要是水平振動(dòng)，其后，豎向振動(dòng)參與，和水平振動(dòng)相互作用，結(jié)構(gòu)周期減小，結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)整體剛度較好.

3 單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)動(dòng)力時(shí)程分析

3.1不同地震波的影響

本文采用的結(jié)構(gòu)，通過(guò)3d3s軟件對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將恒載，活載通過(guò)桿件導(dǎo)到節(jié)點(diǎn)，以恒載和0.5倍活載作為初始條件，進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析.該結(jié)構(gòu)以三維地震動(dòng)輸入，即為水平方向(X和Y向)，豎直方向(Z向).按X+0.85Y+0.65Z的組合輸入. 見(jiàn)圖13-15.

圖6 前20階振型周期規(guī)律曲線

圖7 凱威特1階模態(tài)圖

圖8 凱威特2階模態(tài)圖

圖9 凱威特3階模態(tài)圖

圖10 施威德勒4階模態(tài)圖

圖11 凱威特5階模態(tài)圖

圖12 凱威特6階模態(tài)圖

從圖13-15可以看出，不同地震波作用下三種網(wǎng)殼的位移相差很大，其中CC波位移最大，響應(yīng)最明顯，EI和NO波最小.分析其原因，除了受頻譜特性影響外，還與地震波強(qiáng)震持時(shí)有關(guān).EI波、NO波、RG波、CC波、KO波的強(qiáng)震持時(shí)分別為1.67s、2.31s、3.18s、3.34s、3.56s.因此，對(duì)于實(shí)際工程的動(dòng)力穩(wěn)定問(wèn)題，應(yīng)多選幾條地震波，并根據(jù)當(dāng)?shù)氐膱?chǎng)地類型選用.

圖13 凱威特峰值加速度-位移圖

圖14 施威德勒峰值加速度-位移圖

圖15 聯(lián)方峰值加速度-位移圖

圖16 EI波下峰值加速度-位移圖

從圖16可以看出，在EI波下，三種網(wǎng)殼位移相差不大，凱威特和聯(lián)方曲線幾乎重合，200gal-2000gal時(shí)，施威德勒網(wǎng)殼位移較其他兩個(gè)小，之后反超.

3.2阻尼的影響

阻尼是反映結(jié)構(gòu)體系振動(dòng)過(guò)程中能力耗散特征的參數(shù)，是由于材料的內(nèi)摩擦作用而使機(jī)械能量轉(zhuǎn)化為熱能消失在周圍的介質(zhì)中，主要包括節(jié)點(diǎn)、支座聯(lián)接間的摩擦阻力.本文選取的阻尼為0.05，與無(wú)阻尼時(shí)網(wǎng)殼振動(dòng)進(jìn)行比較，見(jiàn)圖17.

圖17 不同阻尼時(shí)峰值加速度-位移圖

圖18 不同地震方向峰值加速度-位移圖

圖17中，結(jié)構(gòu)有阻尼存在時(shí)，位移均有較大減小，對(duì)網(wǎng)殼的作用顯著.其中，凱威特減少了66.82%，施威德勒減少了70.45%，而聯(lián)方減少了55.15%.所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)或支座進(jìn)行阻尼設(shè)計(jì).

3.3地震波不同輸入方向的影響

圖19 初始幾何缺陷峰值加速度-位移圖

本文分別對(duì)水平，豎向及兩者同時(shí)輸入地震波三種情況下，網(wǎng)殼的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究，表明三種網(wǎng)殼的差異性并不大，故只對(duì)聯(lián)方網(wǎng)殼進(jìn)行了分析，如圖18.其中雙向地震位移最大，其次是水平向地震，而豎向地震影響較小.

3.4初始幾何缺陷的影響

實(shí)際網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)不可避免地存在各種初始缺陷，如桿件的初彎曲、初始內(nèi)應(yīng)力、桿件對(duì)結(jié)點(diǎn)初始偏心等.初始缺陷的分布采用一致缺陷模態(tài)法，本文取網(wǎng)殼靜力失穩(wěn)時(shí)刻的第一階屈曲模態(tài)作為最不利初始缺陷分布，對(duì)三種網(wǎng)殼分別按無(wú)缺陷的理想情形和具有初始缺陷的情形進(jìn)行分析.如圖19所示.

從圖19可見(jiàn)，凱威特在1200gal-1400gal時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲，位移很大.聯(lián)方網(wǎng)殼在1600gal-2000gal時(shí)發(fā)生屈曲，位移很大，而施威德勒網(wǎng)殼并未發(fā)生很大位移，與理想狀態(tài)相差較小.

4 結(jié)論

本文對(duì)三種不同的單層球面網(wǎng)殼模型的抗震性能進(jìn)行了研究，分析他們?cè)诓煌卣鸩ㄏ碌姆逯导铀俣?位移曲線，獲得如下結(jié)論.

1)三種網(wǎng)殼在不同地震波下，位移受頻率值和強(qiáng)震持時(shí)影響較大，凱威特和聯(lián)方網(wǎng)殼位移曲線相近，施威德勒位移較小.

2)阻尼為0.05的三種網(wǎng)殼，相對(duì)于理想網(wǎng)殼，位移都有大幅降低.

3)結(jié)構(gòu)在雙向和水平地震波作用下，位移較大.豎向地震波對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)影響較小.

4)初始幾何缺陷能顯著降低結(jié)構(gòu)的極限荷載，對(duì)凱威特和聯(lián)方網(wǎng)殼較大，施威德勒網(wǎng)殼受影響較小.

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TheDynamicAnalysisofDifferentTypesofSingle-LayerSphericalLatticedShell

WU Jun-qiang， LI Hai-wang

(Taiyuan University of Technology， Institute of Architectural Engineering， Taiyuan 030024，China)

With the help of the finite element software ANSYS, the paper studied the dynamic instability of the 60m span’s Kewitte, Schwedler, Lamella single-layer spherical latticed shell. In designing, the geometric nonlinearity effect of material was considered, thus the bilinear elastic material model was chosen as the steel material. By using the method of increasing the peak acceleration of the earthquake and choosing four different seismic waves and an artificial wave, the paper discussed the overall stability and seismic performance of different latticed shell structures and put forward some suggestions on the seismic performance and the choosing of the seismic waves of different latticed shell structures.

the finite element software ANSYS; single-layer spherical latticed shell; elastic-plastic; peak acceleration of the earthquake

2013-10-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50878137)；山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20080321086)；山西省歸國(guó)留學(xué)基金項(xiàng)目(2009-26).

吳軍強(qiáng)(1989-),男,碩士生.

吳軍強(qiáng)，李海旺.不同類型單層球面網(wǎng)殼動(dòng)力時(shí)程分析[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，37(4)：347-351.

TU33.1

A

1001-2443(2014)04-0347-05