大跨空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法的探討_圖文_百度

1、第38卷第2期建筑結(jié)構(gòu)2008年2月大跨空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法的探討孫建梅張其林(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院上海200092提要反應(yīng)譜理論對(duì)于解決大跨度、現(xiàn)代大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)存在較大的誤差。應(yīng)用振型分解反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法對(duì)大跨空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行了分析和比較,討論了矢跨比、跨度等對(duì)其的影響。分析發(fā)現(xiàn),對(duì)于大跨空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),有一定數(shù)量的“反應(yīng)譜方法計(jì)算安全而時(shí)程分析危險(xiǎn)”的桿件,設(shè)計(jì)中應(yīng)注意。關(guān)鍵詞反應(yīng)譜法時(shí)程分析法大跨空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)Discussion on R esponse Spectrum Method and Time H istory Analysis for

2、Long Span R eticulate Shell Structural DesignSun Jianmei,Zhang Qilin(Department of Civil Engineering,T ongji University,Shanghai200092,ChinaAbstract:The response spectrum meth od indicates the ground seismic property and the structural response characteristic sim ply and clearly.The dynamics problem

3、 can be translated into the statics problem by the response spectrum meth od in the aseismatic analysis.But it will cause large errors for design of long span space and the com plicated structures.The seismic responses are com pared and analyzed by the response spectrum meth od and the time history

4、meth od for the long span reticulate shells,in which the effects of the ratio vector and span are discussed.S ome im portant conclusions are obtained through numerical exam ples,which can present the theoretical foundation for aseismatic design of long span space reticulate shells.K eyw ords:respons

5、e spectrum meth od;time history analysis meth od;long span space reticulate shells;design analysis0引言時(shí)程分析法的缺點(diǎn)有:1分析和結(jié)果受選擇地震波的影響很大,存在一定局限性;2為得到結(jié)構(gòu)反應(yīng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,必須對(duì)多條地震波進(jìn)行分析,計(jì)算工作量很大;3對(duì)于大跨空間結(jié)構(gòu),由于節(jié)點(diǎn)和桿件數(shù)目比較多,因此采用時(shí)程分析法進(jìn)行計(jì)算比較費(fèi)時(shí)。以上缺點(diǎn)限制了時(shí)程分析法的廣泛應(yīng)用324。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程1規(guī)定:對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算時(shí),可采用振型分解反應(yīng)譜法,對(duì)于體型復(fù)雜和重要的大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)應(yīng)采用時(shí)程分析法進(jìn)行

6、補(bǔ)充驗(yàn)算。研究大跨空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜法與時(shí)程分析法的計(jì)算結(jié)果誤差的大小及其影響因素,可為大跨空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。1動(dòng)力特性分析用反應(yīng)譜法分析了三個(gè)大跨空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的水平地震作用,分別考慮了不同矢跨比的情況,不同跨度、不同矢跨比結(jié)構(gòu)的桿件數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)列于表1。三個(gè)算例采用了E l Centro波、上海波、唐山波和蘭州波。E l Centro波的基本動(dòng)力參數(shù)為8度、遠(yuǎn)震、類場(chǎng)地,持時(shí)30s,加速度峰值為34117cms2;上海地震波的基本動(dòng)力參數(shù)為8度、遠(yuǎn)震、類場(chǎng)地土,持時(shí)2419s,加速度峰值為19015cms2;唐山波的參數(shù)為類場(chǎng)地,持時(shí)49122s,加速度峰值65194cms2;蘭州波的

7、基本參數(shù)為類場(chǎng)地,持時(shí)1616s,加速度峰值18714cm/s2。網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)和桿件數(shù)量表表1跨度(m5080120矢跨比012501375015012501375015012501375015節(jié)點(diǎn)數(shù)量319367415847847103994311351423桿件數(shù)量117613681560319231923960357643445496與下部結(jié)構(gòu)的連接通過(guò)不同的支座條件模擬。算例1為半圓形雙層球殼,直徑為50m,矢跨比為015時(shí)的計(jì)算模型如圖1(a所示。桿件采用空間桿單元,主要的截面采用p115,p2,p3的鋼管,其鋼管外徑分別為48,60,89mm,厚度為316,4,515mm;節(jié)點(diǎn)鉸接,支

8、座采用三向固定鉸支座,共16個(gè);結(jié)構(gòu)承受靜荷載619kN,活荷載316kN,按集中質(zhì)量處理。算例2為半圓形雙層球殼,直徑為80m,矢跨比為01375時(shí)的計(jì)算模型如圖1(b所示,支座采用三向固定鉸支座,共32個(gè),結(jié)構(gòu)承受靜荷載1019kN,活荷載316kN,按集中質(zhì)量處理。其他情況同算例1。算例3為半圓形雙層球殼,直徑為120m,矢跨比為0125時(shí)的計(jì)算模型如圖1(c所示,支座采用三向固定鉸支座,共32個(gè),結(jié)構(gòu)承受靜荷載1717kN,活荷載316kN,按集中質(zhì)量處理。其他情況同算例1。應(yīng)用有限元分析程序?qū)﹄p層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算,采用子空間迭代方法2求出了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的前20階自振頻率和振型,其中

9、前12階結(jié)果列于表2;圖2列出了80m跨網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)矢跨比為015時(shí)的前12階振型。46從表2和圖2可以看出,結(jié)構(gòu)頻譜密集,振動(dòng)復(fù)雜,表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)、水平、豎向振動(dòng)的耦合,故從自振特性分析,很難看出其在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)以哪個(gè)方向振動(dòng)為主。由于大跨空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的周期比較長(zhǎng),振型密集,為了分析振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算精度,采用時(shí)程分析法和反應(yīng)譜兩種分析方法進(jìn)行對(duì)比分析。不同矢跨比時(shí)的周期(s 表2跨度(m 5080120矢跨比012501375015012501375015012501375015T 1013420141962014194601551940158103017590701687180181

10、2691103929T 20134101419130141543015491001580110175747016868801810741103762T 30134101419050135635013364701356320144810014410001470810159178T 40134001415360135140013360201331240135654014374001449780146846T 50134001415210135129013311601330680135622013863701448940146781T 60134001412650135063012565901260

11、020130384013520701364240142083T 70134001412620134978012522101250840129874013520201350400141886T 80133901411540134847012496801243760129515013520201347800139442T 90130001374130134553012365201242150129511013519201339890139403T 100130001373470134500012359901241800129453013514401339310138005T 11013000137

12、3450133664012346201233830129384013514201339050136537T 1201299013719901335950123455012337801293830135138013337001365142兩種計(jì)算方法對(duì)比分析211評(píng)價(jià)參數(shù)為了方便對(duì)計(jì)算結(jié)果的評(píng)價(jià),定義參數(shù)mc 為:mc =時(shí)程分析法計(jì)算結(jié)果反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果從上式可以看出,mc >110意味著時(shí)程分析法得到的桿件內(nèi)力較采用反應(yīng)譜法有所增加,mc >112意味著采用時(shí)程分析法時(shí)桿件的內(nèi)力較采用反應(yīng)譜法時(shí)有更明顯的增加,mc <110意味著采用反應(yīng)譜法時(shí)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)偏于保守,mc &l

13、t;018意味著采用反應(yīng)譜法時(shí)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)偏于更加保守。mc <018的桿件數(shù)量越多,說(shuō)明采用反應(yīng)譜法分析大跨空間結(jié)構(gòu)時(shí)越偏于保守;mc>112的桿件數(shù)量越多,說(shuō)明采用反應(yīng)譜法分析大跨空間結(jié)構(gòu)時(shí)越偏于危險(xiǎn)。mc <018和mc >112的桿件數(shù)量表3跨度(m 5080120矢跨比012501375015012501375015012501375015El Centro 波上海波唐山波蘭州波mc <0188088783281481461629274784mc >112992115688721619055740744120mc <01822023645711

14、927535907491181804mc >112402475133781528280823952498573mc <0185671267957250620187754757mc >112448986430210552505891736mc <01811321381410242628231092193521855234mc >1122437195321156744700423125算例中各個(gè)桿件的mc 值列于表3。由表3可得,當(dāng)采用不同地震波時(shí),各種矢跨比及跨度下,mc <018的桿件數(shù)量高達(dá)3281根,mc >112的桿件數(shù)量最多達(dá)到了2808根,說(shuō)

15、明采用反應(yīng)譜法時(shí)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與采用時(shí)程分析法的結(jié)構(gòu)響應(yīng)具有較大差異。從表3還可以 圖1不同跨度的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型 圖280m 跨網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)前12階振型56看出,mc >112和mc <018的桿件數(shù)量與結(jié)構(gòu)跨度、矢跨比以及地震波的選取有關(guān),并且這幾種影響因素相互影響。212結(jié)構(gòu)桿件的劃分為了分析采用反應(yīng)譜方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震分析的精度,根據(jù)表4對(duì)結(jié)構(gòu)桿件進(jìn)行區(qū)間劃分,定義34號(hào)區(qū)間對(duì)應(yīng)的桿件為采用反應(yīng)譜法計(jì)算時(shí)桿件可能偏于危險(xiǎn)的桿件。12號(hào)區(qū)間對(duì)應(yīng)的桿件為采用反應(yīng)譜法計(jì)算時(shí)桿件可能偏于保守的桿件。屬于4號(hào)區(qū)間的桿件在抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該引起注意。根據(jù)表4的組合區(qū)間,可以統(tǒng)計(jì)得到在不同組合區(qū)間下的桿件

16、數(shù)量,見(jiàn)表5。由表5知:當(dāng)采用不同的地震波時(shí),危險(xiǎn)桿件的數(shù)量分別最高達(dá)到總桿件數(shù)量的1013%,1411%,712%,2%;且危險(xiǎn)桿件主要分布在3號(hào)區(qū)間。表5還表明,當(dāng)采用不同地震波時(shí),4號(hào)區(qū)間的桿件分別占到總桿件數(shù)量的115%,118%,1%,012%。計(jì)算發(fā)現(xiàn),出當(dāng)矢跨比為0125時(shí),屬于4號(hào)區(qū)間的桿件主要分布于結(jié)構(gòu)的邊緣,當(dāng)矢跨比為015時(shí),主要分布在與地震波傳播方向垂直的軸線附近,可見(jiàn)這類桿件的分布位置與矢四種組合區(qū)間編號(hào)表4桿件內(nèi)力(kN mc <018m >1125151#3#大于152#4# 圖3危險(xiǎn)桿件的分布圖區(qū)間14危險(xiǎn)桿件數(shù)量統(tǒng)計(jì)(個(gè)表5跨度(m 5080120

17、矢跨比012501375015012501375015012501375015El Centro 波上海波唐山波蘭州波1400537399110894348222220000000003326137712033211241174036076584721501406617726142981615597144200000000031002112343924263203226231400011127165856175693576005721845782067524921065417517815562166300336381990264984000061244901544280646136815381

18、166106013622206283011894126466055651926306026161663420425跨比有關(guān)。地震作用下危險(xiǎn)桿件的分布見(jiàn)圖3。3結(jié)論(1對(duì)于大跨空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),采用反應(yīng)譜法進(jìn)行分析時(shí)可能導(dǎo)致過(guò)于保守或過(guò)于危險(xiǎn)的結(jié)果。(2反應(yīng)譜分析法造成的誤差大小與結(jié)構(gòu)跨度、矢跨比及地震波的選取有關(guān),且這幾個(gè)方面相互影響。(3通過(guò)兩種分析方法下結(jié)構(gòu)各個(gè)桿件的內(nèi)力分析,可以定量判別結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)桿件,也可以定量分析比較兩種計(jì)算方法下結(jié)構(gòu)安全性的差異。算例已表明,對(duì)于大跨空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的“反應(yīng)譜方法下安全而時(shí)程分析下危險(xiǎn)”的桿件,在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)該引起重視。參考文獻(xiàn)1網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(J G J612003S.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003.2藍(lán)天,張毅剛.大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)M.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2000.北京市建筑設(shè)計(jì)研究院第二設(shè)計(jì)所2A5工作室中標(biāo)鄭州市圖書館新館(鄭州市市民文化中心項(xiàng)目鄭州市圖書館新館建設(shè)地址位于鄭東新區(qū)拓展區(qū),以大型一類圖書館為核心,涵蓋學(xué)術(shù)交流、文化培訓(xùn)、延伸文化產(chǎn)品銷