體育館上下部協(xié)同工作分析

葉　松,馬文亞,劉　創(chuàng)

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥　230022)

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體育館上下部協(xié)同工作分析

葉松,馬文亞,劉創(chuàng)

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥230022)

摘要：文章以廬江體育館為例，應(yīng)用Midas結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計軟件,通過振型分解反應(yīng)譜法和動力特性分析對該工程進(jìn)行性能研究。針對鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼和整體結(jié)構(gòu)2種復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)計算模型，對結(jié)構(gòu)的自振特性、位移及支座反力等性能進(jìn)行分析和設(shè)計。計算表明,采用鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼計算模型進(jìn)行抗震設(shè)計存在不安全因素，在鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼設(shè)計時應(yīng)考慮上下部結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的影響。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)；協(xié)同作用；反應(yīng)譜分析

1工程概況

廬江體育館中心位于廬江縣東城區(qū)，總建筑面積為12 272 m2，建筑高度為19.6 m，此空間體系有效地將薄壁鋼結(jié)合起來，形成互相交錯的受力分?jǐn)傮w系。薄壁鋼的使用加大了結(jié)構(gòu)的剛度，也提高了結(jié)構(gòu)承受軸力和彎矩的能力?？臻g鋼架形成之后，結(jié)構(gòu)內(nèi)剛度減小，外剛度增大，荷載通過桿件傳遞到下部的支座上。

在實(shí)際工程分析中,通常把此類體系的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與支承分開考慮,對于網(wǎng)殼，根據(jù)柱腳的結(jié)構(gòu)形式及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，可按照固定支座、固定鉸支座、滑動鉸支座及彈性支座等來模擬[1]。這種方法建立在力平衡的基礎(chǔ)上，沒有考慮結(jié)構(gòu)變形的影響。而實(shí)際上，如果鋼結(jié)構(gòu)采用固定支座和鉸支座，則無法模擬支座節(jié)點(diǎn)處的位移，如果采用彈性支承，其彈性剛度無法準(zhǔn)確得出。因此，對于大跨空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計，必須進(jìn)行整體分析。本文針對以上問題，對廬江體育館結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究[2-3]。

2結(jié)構(gòu)計算模型

2.1計算模型

由軟件程序自動計入根據(jù)截面設(shè)計的結(jié)構(gòu)自重，屋面恒載按1.0 kN/m2計，廊道按0.5 kN/m2計。屋面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.7 kN/m2，屋架下弦活荷載為1.0 kN/m2，基本雪載標(biāo)準(zhǔn)值為0.6 kN/m2，基本風(fēng)載取50年一遇的基本風(fēng)壓為0.35 kN/m2。因?yàn)樵撲撹旒芙Y(jié)構(gòu)沿縱向較長，是內(nèi)部鋼屋面，跨度也不是很大，在本次研究中暫不考慮溫度影響。

(1) 模型1。鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼是通過3D3S建模，上部鋼桁架屋蓋模型中采用梁單元體系，所以釋放主桁架腹桿、上弦支撐、幕墻支撐、幕墻橫向聯(lián)系桿和底部支撐彎矩。在本工程中，網(wǎng)殼下部的支承點(diǎn)使用彈性支承代替下部支承和支座 ，如圖1所示。

圖1　鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼模型

(2) 模型2。運(yùn)用有限元分析軟件Midas Gen建模，模型簡化下部混凝土采用梁、柱單元；模型上部網(wǎng)殼屋蓋。約束條件柱底部與基礎(chǔ)剛性連接，上部網(wǎng)殼型鋼與鋼筋混凝土柱為鉸接，如圖2所示。

圖2　整體結(jié)構(gòu)模型

2.2支座簡化

對于支承結(jié)構(gòu)的彈性效應(yīng)，考慮支承的彈性剛度，用來模擬結(jié)構(gòu)上下部共同作用工況。下部支承結(jié)構(gòu)的彈性效應(yīng),可以由下部支承結(jié)構(gòu)在約束方向?qū)W(wǎng)殼提供的彈性剛度表示。剛度計算根據(jù)具體支承情況予以考慮，對位于有邊梁的柱上和框架梁上的支承，可認(rèn)為沿邊界法向的抗側(cè)移剛度較小，取沿法向抗側(cè)移剛度,沿切向邊界和豎向近似認(rèn)為固定，即考慮支座有水平方向彈性約束，計算下部結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度,作為網(wǎng)殼水平方向彈性約束的彈簧剛度。對于位于非框架梁的支承，可認(rèn)為沿豎向考慮為彈性支承，其豎向剛度可近似采用梁位于網(wǎng)殼支座處的豎向剛度，沿切向和法向方向均考慮為彈性支座。根據(jù)實(shí)際網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)工程支承情況，一般采用周邊切向約束和豎向約束，僅考慮結(jié)構(gòu)法向彈性剛度[4-5]。

3動力特性分析

3.1結(jié)構(gòu)地震動系數(shù)

小震分析采用反應(yīng)譜法,網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)阻尼比取為0.02,下部混凝土結(jié)構(gòu)模型的阻尼比取0.05[6]，僅取單向地震作用[7]。重力荷載代表值為1.0靜+0.5活(雪)。

3.2結(jié)構(gòu)自振特性

對模型1和模型2采用Lanczos法進(jìn)行模態(tài)分析[8]，提取前15階振型，分別列出多階頻率對比圖，如圖3所示。

通過模態(tài)分析，有下部結(jié)構(gòu)的模型頻率較大，主要原因是上下結(jié)構(gòu)剛度相差較大，當(dāng)取整體結(jié)構(gòu)時，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)成為整體薄弱地位，模型周期趨近于上部網(wǎng)殼并且放大。其次，模型1與模型2的前3階振型分別都是以水平和豎向變形為主，前3階振型中，整體模型周期大于模型1的周期，之后振型階數(shù)增加，頻率相對緩和，模型1的周期還略大于模型2的周期，都是以上部結(jié)構(gòu)的局部變形為主。因此，模態(tài)分析不能僅取前幾階振型，還應(yīng)考慮多階模態(tài)分析。

圖3　模型振型模態(tài)

4地震響應(yīng)

在小震作用下，對上述2個模型進(jìn)行振型分解反應(yīng)譜法分析[9]。因?yàn)?個模型主振型的差異，勢必導(dǎo)致結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的差異。為量化研究不同模型帶來的地震相應(yīng)差異[10]，提取模型中鋼結(jié)構(gòu)部分關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)地震內(nèi)力、位移，軸力等主要力學(xué)指標(biāo)對比分析，結(jié)果見表1、表2所列。

在模型1對應(yīng)的桿件部位的位置，11號節(jié)點(diǎn)位于K軸與3軸相交部位，912節(jié)點(diǎn)位于F軸與5軸相交部位的上弦，4810腹桿位于F軸與5、6軸相交的腹桿，限于篇幅，此處未視出詳圖。

表1　小震作用下結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)對比

表1中，位移指標(biāo)為單獨(dú)網(wǎng)殼上弦節(jié)點(diǎn)912豎向位移，軸力指標(biāo)為桁架腹桿4810桿件軸力。

表2　小震作用下11號支架反力指標(biāo)對比　　　　kN

由上述分析可知：

(1) 在X、Y向地震作用下，模型2比采用簡化彈性剛度支座的模型1，在水平方向上增大了1.5倍左右，但是在豎直方向上，模型2比模型1大。

(2) 模型2中鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼上弦節(jié)點(diǎn)頂點(diǎn)與整體模型2相近，并且略微大點(diǎn)，整體采用簡化彈性支座模型可行。

(3) 在桁架腹桿中，模型2的軸力相對于模型1略微大點(diǎn)，結(jié)果偏于安全。

綜合以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，模型2中考慮下部結(jié)構(gòu)和支座的影響，采用彈性支承模擬下部結(jié)構(gòu)和支座的剛度效應(yīng)，是可以采用的邊界條件，大體上考慮下部結(jié)構(gòu)對鋼結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)及安全性能的影響。

5結(jié)束語

本文進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼動力特性分析時，由于整體模型下部框架剛度較大，導(dǎo)致整體變形的周期大于上部結(jié)構(gòu)周期。整體模型振型模態(tài)與上部結(jié)構(gòu)模態(tài)前幾階變形都是以水平和豎向變形為主，之后的振型是以網(wǎng)殼局部變形為主?？紤]上下部結(jié)構(gòu)共同作用后，2種模型在小震作用下，鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼支座反力、位移、軸力等力學(xué)指標(biāo)在水平Y(jié)向和Z向大致相同，但是在水平Z向支座反力有點(diǎn)差距。因此，在實(shí)際模型中，雖然可以用簡化彈性支座模型模擬整體模型，但是從部分?jǐn)?shù)據(jù)分析還不能完全等效。

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收稿日期：2016-03-12；修改日期：2016-03-16

作者簡介：葉松(1990-)，男，安徽六安人，安徽建筑大學(xué)碩士生．

中圖分類號：TU312.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0206-03