新型折板式空腹擬扁網(wǎng)殼的動力性能研究

摘要：折板式空腹擬扁網(wǎng)殼是結(jié)合空腹夾層板和折板網(wǎng)殼的力學(xué)優(yōu)勢形成的一種新型結(jié)構(gòu)。為了研究該結(jié)構(gòu)在地震作用下的力學(xué)性能，論文基于有限元分析軟件ANSYS，選出三組8度罕遇地震下的地震波，分別對其進行水平、豎向和三向地震作用下的研究。討論跨中頂點處位移響應(yīng)和各構(gòu)件剛度改變對動內(nèi)力系數(shù)的影響情況。結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)剛度很好；結(jié)構(gòu)受水平地震作用影響較大，與動力特性分析中，結(jié)構(gòu)一階振型X向平動相對應(yīng)；結(jié)構(gòu)彎矩動內(nèi)力系數(shù)大于軸力動內(nèi)力系數(shù)；相同條件下的地震波對結(jié)構(gòu)動內(nèi)力系數(shù)影響不大；矢跨比增大會降低構(gòu)件的動內(nèi)力系數(shù)；構(gòu)件剛度的改變對該類型構(gòu)件的動內(nèi)力系數(shù)影響較大，對其他類型構(gòu)件影響較小。

關(guān)鍵詞：擬扁網(wǎng)殼；動力特性分析；地震作用；動內(nèi)力系數(shù)；參數(shù)化分析

中圖分類號：TU33+9文獻標(biāo)志碼：A鋼筋混凝土空腹夾層板樓屋蓋具有自重輕、材料用量省的特點。適用于跨度30 m以下的工業(yè)和公共建筑［1-2］，已有相應(yīng)的地方技術(shù)規(guī)程編制完成并實行［3］。

相關(guān)學(xué)者研究了空腹夾層板的力學(xué)性能。談忠坤等［4］對正交斜放鋼網(wǎng)格空腹夾層板樓蓋進行靜載試驗研究，結(jié)果顯示，這種新的樓板整體強度高，且在三維上表現(xiàn)出了很好的力學(xué)特性。孫敬明等［5］通過對U型鋼-砼復(fù)合空腹夾層板的現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)符合現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的規(guī)定。在舒適性計算中，樓頂垂直加速度的測量值達到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.005 g以下，對人體無任何影響。劉盼盼［6］對鋼筋混凝土空腹夾層板剪力鍵的靜力性能進行參數(shù)化分析，以壓桿-拉桿理論為基礎(chǔ)，建立了剪力鍵剪切承載力的數(shù)學(xué)表達式。盧亞琴［7］對鋼筋混凝土空腹夾層網(wǎng)狀筒拱和筒殼結(jié)構(gòu)的試驗研究，證明這種新的結(jié)構(gòu)安全可靠，且經(jīng)濟性能良好。LU等［8］通過靜載實驗，研究鋼筋混凝土空腹梁的破壞狀態(tài)、配筋率以及抗彎承載力的關(guān)系，提出了相應(yīng)模型和抗彎承載力公式。LU同時［9］對空腹夾層板的剪力鍵的破壞模式進行了研究。結(jié)果表明，剪力鍵在剪力鍵區(qū)域沿弦寬方向水平剪切，混凝土被壓碎或者拉開。

折板式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)兼有平板網(wǎng)架和網(wǎng)殼的優(yōu)點，結(jié)構(gòu)形式豐富，受力性能好，技術(shù)和經(jīng)濟效益都較好［10］。楊碧超［11］對混凝土人字形折板式網(wǎng)殼的彈性穩(wěn)定性進行了研究，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的低階彈性失穩(wěn)模態(tài)關(guān)于脊線對稱，其中一階振型為半波型。周曉峰等［12］對折板網(wǎng)殼的構(gòu)造和振動性能進性研究，為工程設(shè)計奠定基礎(chǔ)。劉和星等［13］對鉆石體折板式網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行了分析，結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性能。SOUMYA等［14］采用蒙特卡羅模擬方法，結(jié)合相關(guān)參數(shù)的不確定性，對鋼筋混凝土折板殼結(jié)構(gòu)進行了穩(wěn)健設(shè)計優(yōu)化（robust design optimization，RDO）計算。結(jié)果表明，只需增加少量初始成本，就可以實現(xiàn)穩(wěn)健設(shè)計。

1基本算例模型

折板式空腹擬扁網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，其中，（a）為結(jié)構(gòu)的空間軸測圖，（b）為結(jié)構(gòu)1/2橫隔示意圖，（c）為結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件剖面圖。屋蓋是由16塊空腹夾層平板兩兩交匯而成，交匯處形成實腹的脊梁。L為屋蓋的跨度，f為結(jié)構(gòu)矢高。立柱支承在橫隔下弦下方。

采用大型仿真有限元軟件ANSYS建模，有限元模型如圖2所示。其中，X、Y方向跨度均為36 m，不算柱高時矢高7 m，柱高3.6 m。脊梁與邊梁間均劃分為5個網(wǎng)格，網(wǎng)格水平投影為1 800 mm×1 800 mm，邊梁截面尺寸為350 mm×700 mm，脊梁截面尺寸為300 mm×600 mm，上、下弦截面尺寸均為300 mm×150 mm，剪力鍵截面尺寸為300 mm×300 mm，空腹總高取450 mm，屋面板厚60 mm，橫隔中、下弦截面尺寸為300 mm×500 mm，橫隔腹桿截面尺寸為300 mm×300 mm。混凝土強度等級為C40，彈性模量E_c=3.25×10⁷ kN/m²，泊松比u=0.2，采用多線性隨動強化模型；鋼筋混凝土密度為2.44×10³ kg/m³，采用雙線性等向強化模型。

2結(jié)構(gòu)動力特性分析

網(wǎng)殼的自振頻率是其動力特性的一個重要方面，它直接影響到地震作用下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。結(jié)構(gòu)的剛度既是決定結(jié)構(gòu)自振頻率特性的重要因素，又是衡量一個結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度是否匹配、剛度是否合理的重要指標(biāo)［15］。

由于結(jié)構(gòu)具有對稱性，因此，結(jié)構(gòu)的前50階模態(tài)中，自振頻率具有成對出現(xiàn)的情況。前10階自振頻率和振型特點如表1所示。

結(jié)構(gòu)的第1階以X向平動為主，同時伴有Z向反對稱振動，第4階模態(tài)以XY平面45°角Z向反對稱振動，第6階模態(tài)以XY平面扭轉(zhuǎn)為主，第8、9、10階模態(tài)均以Z向?qū)ΨQ振動。部分振型圖如圖3所示。

3地震響應(yīng)分析

3.1選波情況

3.2水平地震作用

EI波水平方向作用下，跨中節(jié)點水平方向位移、速度及其加速度如圖8所示。節(jié)點最大擬靜力位移為4.13 mm，發(fā)生在2.904 s；節(jié)點最大加速度為3.98 m/s，發(fā)生在4.228 s。結(jié)構(gòu)擬靜力位移受水平地震影響較大，與動力特性分析中，結(jié)構(gòu)一階振型X向平動相對應(yīng)。

3.3豎向地震作用

EI波豎直方向作用下，跨中節(jié)點豎直方向位移、速度及其加速度如圖9所示。節(jié)點最大擬靜力位移為2.94 mm，發(fā)生在1.156 s；節(jié)點最大加速度為10.08 m/s，發(fā)生在1.204 s。在豎向地震作用下，結(jié)構(gòu)加速度值最大。

3.4三向地震作用

EI波三向地震作用下，跨中節(jié)點豎直方向位移、速度及其加速度如圖10所示。節(jié)點最大擬靜力位移為1.19 mm，發(fā)生在5.308 s；節(jié)點最大加速度為2.31 m/s，發(fā)生在5.244 s。

3.5動內(nèi)力系數(shù)分布情況

在三組地震的作用下，各類型構(gòu)件在水平、豎直和三向地震作用下的動內(nèi)力分布如表2至表4所示。由于篇幅原因，這里僅列出邊梁構(gòu)件在EI波、NR波和人工波不同地震方向作用下的內(nèi)力分布情況。脊梁、弦梁、剪力鍵和橫隔構(gòu)件的動內(nèi)力系數(shù)不一一列出。分析可知：結(jié)構(gòu)的彎矩動內(nèi)力系數(shù)普遍大于軸力動內(nèi)力系數(shù)；結(jié)構(gòu)構(gòu)件在水平地震作用下的動力系數(shù)相對較大，結(jié)構(gòu)受水平地震影響較大；在按規(guī)范選出的三組地震波作用下，同一構(gòu)件在不同地震作用下的動內(nèi)力系數(shù)變化不大，可見，動內(nèi)力系數(shù)可參考一組地震波的作用。

4參數(shù)化分析

基于上述基本算例模型，僅改變矢跨比和單一類型構(gòu)件剛度，在豎向地震作用下，選取6號截面，考察矢跨比和構(gòu)件剛度的改變對結(jié)構(gòu)動內(nèi)力系數(shù)的影響。

4.1矢跨比對結(jié)構(gòu)動內(nèi)力系數(shù)的影響

考慮矢跨比對內(nèi)力系數(shù)的影響時，改變矢高f。使矢跨比f/L分別為1/7、1/6、1/5、1/4.5、1/4、1/3.5、1/3。矢跨比的改變對結(jié)構(gòu)動內(nèi)力系數(shù)的影響如圖11所示。

隨著矢跨比增大，結(jié)構(gòu)各個構(gòu)件α_N總體上呈現(xiàn)下降趨勢，α_M變化較為平緩。弦梁和剪力鍵的α_N受矢跨比影響相對較大，邊梁的α_M受矢跨比影響相對較大，當(dāng)矢跨比從1/7到1/6時，降幅最大。

由3.2至3.4節(jié)知，結(jié)構(gòu)受水平地震影響較大，對水平方向的力較為敏感。在提高結(jié)構(gòu)矢跨比的同時，構(gòu)件側(cè)向推力減小，豎向分力增大。進而在提高矢跨比的過程中減小了水平方向力的響應(yīng)程度，降低了動內(nèi)力系數(shù)。

4.2邊梁剛度對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力系數(shù)的影響

考慮邊梁剛度對結(jié)構(gòu)動內(nèi)力系數(shù)的影響時，邊梁截面高度分別取500、600、700、800、850、900、950 mm。邊梁剛度的改變對結(jié)構(gòu)動內(nèi)力系數(shù)的影響如圖12所示。

隨著邊梁剛度的增加，邊梁和弦梁的αN增加，邊梁增長速率最大，其余構(gòu)件αN下降；邊梁αM呈上升趨勢，其余構(gòu)件的αM變化平緩。可見，邊梁剛度的變化，對邊梁構(gòu)件的動內(nèi)力系數(shù)影響較大。

4.3脊梁剛度對結(jié)構(gòu)動內(nèi)力系數(shù)的影響

考慮脊梁剛度對結(jié)構(gòu)動內(nèi)力系數(shù)的影響時，脊梁截面高度分別取450、500、550、600、650、700、750 mm。脊梁剛度的改變對結(jié)構(gòu)動內(nèi)力系數(shù)的影響如圖13所示。

隨著脊梁剛度的增大，脊梁αN呈現(xiàn)上升趨勢，剪力鍵αN呈現(xiàn)下降趨勢，其余構(gòu)件變化不大；脊梁αM呈現(xiàn)上升趨勢，其余構(gòu)件變化不大。可見，脊梁剛度改變對脊梁的動內(nèi)力系數(shù)的影響較大。

4.4弦梁剛度對結(jié)構(gòu)動內(nèi)力系數(shù)的影響

考慮弦梁剛度對內(nèi)力系數(shù)的影響時，改變弦梁截面寬度分別為250、265、280、300、320、350 mm，弦梁剛度的改變對結(jié)構(gòu)動內(nèi)力系數(shù)的影響如圖14所示。

隨著弦梁剛度的增大，結(jié)構(gòu)各個構(gòu)件的αN均呈現(xiàn)上升趨勢，其中，弦梁的變化最大；結(jié)構(gòu)各個構(gòu)件的αM均呈現(xiàn)上升趨勢，弦梁的變化相對較大。可見，弦梁剛度的改變對弦梁的結(jié)構(gòu)動內(nèi)力系數(shù)影響也較大。

從以上構(gòu)件參數(shù)化分析中可知，構(gòu)件剛度的改變對該類型構(gòu)件的動內(nèi)力系數(shù)影響較大，對其他類型構(gòu)件影響較小。產(chǎn)生此規(guī)律的原因在于：對單個類型構(gòu)件剛度的改變，影響了整體結(jié)構(gòu)的剛度分布。在地震作用下，剛度大的構(gòu)件會參與更多的地震能力損耗，從而使得在提高構(gòu)件剛度的同時，其動內(nèi)力系數(shù)增大。

5結(jié)論

基于以上研究，結(jié)論如下：

1）折板式空腹擬扁網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)剛度很好，在8度罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)最大擬靜力位移為4.13 mm，為結(jié)構(gòu)跨度的1.14/10 000。

2）結(jié)構(gòu)的擬靜力位移受水平地震作用影響較大，與其一階模態(tài)水平方向平動相對應(yīng)，結(jié)構(gòu)彎矩動內(nèi)力系數(shù)大于軸力動內(nèi)力系數(shù)。

3）同一構(gòu)件在不同地震作用下的動內(nèi)力系數(shù)變化不大，動內(nèi)力系數(shù)可參考一組地震波的作用。矢跨比對結(jié)構(gòu)動內(nèi)力系數(shù)影響較大，矢跨比增大，結(jié)構(gòu)動內(nèi)力系數(shù)普遍降低。構(gòu)件剛度的改變對該類型構(gòu)件的動內(nèi)力系數(shù)影響較大，對其他類型構(gòu)件影響較小。參考文獻：

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（責(zé)任編輯：于慧梅）Study on Dynamic Performance of a New Type of Hollow

Reticulated Shell with Folded Plate

DING Xu ZHANG Huagang MA Kejian

（1.Space Structures Research Center， Guizhou University， Guiyang 550025， China；

2.Guizhou Key Laboratory for Structure Engineering， Guiyang 550025， China）Abstract： Folding type hollow pseudo-flat reticulated shell is a new type of structure which combines the mechanical advantages of hollow sandwich plate and folding type reticulated shell. In order to study the mechanical properties of the structure under earthquake， based on the finite element analysis software ANSYS， three groups of seismic waves under 8-degree rare earthquakes were selected and studied under horizontal， vertical and three-direction earthquakes respectively. The influence of displacement response at mid-span vertex and stiffness change of each member on dynamic internal force coefficient is discussed. The results show that the structural stiffness is very good. The structure is greatly affected by horizontal seismic action， which corresponds to the x-translational motion of the structure’s first-order mode in the analysis of dynamic characteristics. The moment dynamic internal force coefficient of the structure is greater than that of the axial force. Under the same conditions， the seismic wave has little effect on the coefficient of structural dynamic internal force. The increase of span ratio will generally reduce the dynamic internal force coefficient of member. The change of member stiffness has great influence on the dynamic internal force coefficient of this type of member， but has little influence on other types of member.

Key words： hyperbolic flat reticulated shell; dynamic analysis; seismic action; dynamic coefficient of internal force; parametric analysis