钢筋混凝土支承框架对K8网壳动力性能影响的分析.pdf

6 2 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 8卷第 5 期 2 0 1 2年 l 0月 钢筋混凝土支承框架对 K 8网壳动力性能影响的分析 燕保军， 侯幸云 ( 河北建设集团 ， 河北 保定0 7 1 0 0 1 ) 摘要： 依据非线性有限元理论， 利用 A N S Y S 有限元分析程序 ， 把钢筋混凝土支承框架和 K 8网壳结构体系作为一 个整体结构体系进行分析。通过分析， 系统地研究了地震荷载作用下钢筋混凝土支承框架对网壳结构动力性能的 影响。 关键词： 非线性有限元； K 8型网壳； 地震荷载作用； 动力分析 中图分类号 ： T U 3 3 文献 标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 6 2 0 5 Dy n a mi c a n a l y s i s o f K8 g r i d s h e l l c o n s i d e r i n g r e i n f o r c e d c o n c r e t e f r a me s t r uc t u r e Y A N B a o j u n HO U X i n g y u n ( H e b e i J i a n s h e C o n s t r u c t i o n G r o u p C o ， L t d ， B a o d i n g 0 7 1 0 0 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： B a s e d o n n o n l i n e a r fi n i t e e l e me n t t h e o r y， a s y s t e m c o mp o s e d b y s h e H a n d r e i n f o r c e d c o n c r e t e f r a me s t ruc t u r e w i l l b e a n a l y z e d b y u s i n g f i n i t e e l e me n t p r o g r a m AN S Y S I n t h e a n a l y s i s ， t h e K 8 d s h e l l a f f e c t e d b y t h e f r am e s t ruc t u r e i s a n aly z e d s y s t e ma t i c all y u n d e r t h e e a a h q u a k e l o a d i n g i n t h i s p a p e r Ke y wo r d s ： n o n l i n e a r fi n i t e e l e me n t me t h o d； K8 g rid s h e U；e a a h q u a k e l o a d i n g； d y n a mi c a n a l y s i s 0 前言 目前， 国内文献在网壳的动力时程分析研究领 域取得 了很多成果 引。但是， 这些研究成果大多是 将地震荷载直接作用在网壳结构上 。事实上 ， 很多 网壳结构支承在钢筋混凝土框架结构上， 地震荷载 通过地面运动传递给支 承框架 ， 而后由框架传 给网 壳。因此钢筋混凝土框架结构对网壳结构的动力性 能产生了很大的影响。 凯威特型网壳是 目前研究 、 应用非常广泛的一 种网壳形式 。本文采用非线性有 限元理论 ， 把 钢筋 混凝土支承框架和 K 8网壳结构体系作为一个整体 结构体系进行分析。 K 8网壳结构体系 ： 跨度 4 0 m， 矢跨 比为 0 2 。 钢筋混凝土支承框架体系 ： 柱 H： 6 i n ， A=4 5 0 4 5 0 ( 1 l l m ) ， 梁 A= 3 5 0 6 0 0 ( m m ) ， C 3 0 。 1 基本理 论 1 1 分析模型的确定 K 8型网壳 ： 跨度为 4 0 m， 矢跨 比为 0 2 ， 采用 圆 收稿 日期 ： 2 0 1 1 4 ) 4 2 9 作者简介 ： 燕保 ( 1 9 7 7一)， 男 ， 河北 保定 人， 研 究生 ， 工程 师 ， 主要 从事结构 程方面的研究和施 工。 Ema i l y b j 0 9 0 8 1 2 6 C o rn V 八 J 1 J r f L 厂 一 、 f ! I t l 厂 、 、 ， 、 l 7 Z 图 1 网壳结构平面 Fi g 1 Th e s t r uc t ur e pl a ne gr aph o f gr i d s he R 图2 框架 结构 立面 Fi g 2 The f r ame s t ru c t ur e e l e v at i o n 、 。 ， ， 、 、 ， 、 r 1， ， 1 I 八 r 、 1 1 ， l I 、 厂 r l I l l I I I 图 3整体结构立面 Fi g 3 The whol e s t ru c t ur e o f e l e va t i o n 形焊接钢管 ， Q 2 3 5钢 ； 屋面板质量取 3 0 k g m ； 图 4 燕保军， 等： 钢筋混凝土支承框架对 K 8网壳动力性能影响的分析 6 3 中杆件截面 1 3依次为 6 6 o3 5 m m， 6 7 63 5 m m。 4 , 8 8 5 X 4 m m。 钢筋混凝土支承框架 ： 框架柱 ： A= 4 5 0 4 5 0 ( m m ) ， 柱高 H： 6 m； 框架梁 ： A= 3 5 0 X 6 0 0 ( mm ) ； 钢筋混凝土标号为 C 3 0 。 框架结构与网壳结构采用 刚性梁单元连接， 刚 性粱高 日= 0 2 m， 下端刚接 ， 上端铰接。 图 4 网壳杆件截面编号 Fi g 4 S e c t i on n um b e r i n g o f gr i d s he l l ba r s 1 2 组合结构阻尼的计算 由于不 同材料其能量耗散机理不一样 ， 目前在 抗震设计 中对 于 由两种不 同材料 ( 钢 和钢筋混凝 土) 组合成的结构体系， 其相应的阻尼比应按整体 结构进行动力分析来确定 。 整体结构的阻尼比： = 一 ( 1 ) i=1 式 中 为整体结构 的阻尼 比； ； 为第 i 个构件阻 尼 比， 对钢结构取 0 0 2 ， 对 混凝土结构取 0 0 5 ； Wi 为第 i 个构件的位能： r ( + 一M M )( 2 ) 式中 i ， i 为作用在第 i 个梁元两端的外力偶 矩 ； 厶为第 i 个梁元长度 ； E为弹性模量 ； ， 为单元转 动惯量。 整体结构的阻尼 比确定后 ， 再按公式 ( 3 ) 计算 结构 的阻尼系数 】 ： 式 中 为整体结构 的阻尼比； T i ， 为整体结构的 第 i ， _ 个周期 ； ； ， j 为整体结构的第 i， 个 圆频 率 。 2 结构静力分析 由于 K 8型 网壳结构的多轴对称性 ， 对静 力分 析的结果 ， 可以仅取 网壳的 1 8进行分析。通过对 有框架和无框架时的静力分析计算， 得到网壳的节 点位移见表 1 ， 网壳的杆件轴力见表 2 。 表 1 2中所列数值为网壳结构几何非线性静 力分析的最后一步迭代计算结果。 表1 中总位移U= + 2 + ， 式中U x ， U y ， U 为节点在 X， y ， Z三个坐标轴方 向上的位移。 ， ， ， 】 _ 八 4 二 f ： 图 5 网壳节点编号 Fi g 5 Numb e r i n g o f g r i d s h e n o d e s 一 2 8 、 2 4 8 、3 0 4 3 7 6 一 31 4 s m Z 5 4 z s 2 5 - z L 。 之 。 0 l u ,S ：。 2 7 S 。 S 1 ， i ： 。 102 j j 70 9 I 7 9 ， i 、，一一， 9 ， i 一 9 。 。 4： 。 ： 。 。 。 图 6 网壳杆件单元编号 Fi g 6 El e m e n t n umb e r i n g o f g r i d s h e l l b a r s 者 一 。 l l 2 一 一 = 一 一 一 6 4 四川建筑科学研究 第 3 8卷 表 2 静力分析的杆件轴力 Ta bl e 2 Ax i a l f or c e o f t he po l e s i n t h e s t a t i c an al ys i s N 差 有 框 架 无 框 架 萎 差 有 框 架无 框 架 类 型 编 号 类 型 编 号 1 7 6 2 6 2 8 l 一2 6 2 O 4 1 7 7 1 7 5 8 7一l 7 6 6 5 l 7 8 3 6 3 7 l 一3 6 3 8 7 1 8 0 1 7 5 8 81 7 6 6 7 2 0 2 4 0 2 4 0 3 9 7 2 3 20 1 一l l 5 4 4一l 1 6 6 6 2 4 2 4 1 7 5 4 4 0 6 2 0 2 0 4 2 9 1 6 22 9 O 5 9 298 4l 4 04 35 78 6 2 03 2 91 5 72 905 4 径向 3 7 0 4 3 2 9 0 1 8 3 9 5 2 0 6 一l 1 5 4 3 一l l 6 6 5 杆件 1 6 9 2 6 2 8 5 2 6 2 0 7 2 4 1 8 2 O 2 9 I l 2 l 7 9 3 6 3 6 7 3 6 3 8 3 2 4 4 - 3 3 9 4 9 3 3 8 4 8 2 O 5 4 0 2 3 9 3 9 7 2 2 2 4 3 2 1 6 3 22 2 6 0 2 2 4 7 4 1 7 5 7 4 O 6 2 l 2 4 6 2 1 6 2 8 2 2 5 9 9 3 O 5 4 1 4 0 4 3 5 7 7 9 2 4 5 - 3 3 9 4 8 3 3 8 4 7 3 7 9 4 3 3 0 3 - 1 8 3 9 7 24 8 8 1 9 9 9 1 1 0 2 9 7 9 3 9 2 1 0 8 3 3 3 0 0 3 8 5 6 5 3 4 5 5 9 2 9 9 1 8 9 5 02 1 6 0 7 3 0 2 2 8 8 0 82 8 46 6 斜杆 3 0 1 2 8 8 0 6 2 8 463 3 0 4 - 1 8 9 4 9 2 1 6 0 6 3 0 3 3 8 5 6 43 4 5 5 8 3 0 6 9 3 9 3 1 0 8 3 7 3 6 9 2 7 6 21 7 5 2 1 葬 霹 篡 372 38oo9 29469 371 16760 28220 374 27707 30193 3 7 3- 2 5 8 5 6 - 2 9 6 7 5 3 7 6 2 5 8 5 42 9 6 7 2 3 7 5 2 7 7 0 53 0 1 9 1 3 7 8 1 6 7 5 9 2 8 2 20 3 7 7 3 8 01 02 9 4 7 l 3 8 0 2 7 5 31 7 5l 7 通过对有框架和无框架两种力学模型的静力分 析计算 ， 可以得出如下结论。 I ) 由表 1 可以看出 ， 网壳节点的最大 z向位移 和最大总位移始终发生在节点 3 ， 2 5， 4 6； 不考 虑框 架作用时， 网壳节点的最大 向位移发生在节点 2 ， 最大 y向位移发 生在节点 4 8 ； 考虑框架作用时 ， 网 壳节点的最大 向位移发生在节点 3 ， 最大 y向位 移发生在节点 4 6 。 2 ) 与不考虑支承框架的影响相 比， 考虑框架影 响后网壳结构的节点位移明显增大 ， 其 中网壳节点 最大总位移由 9 4 8 mm最大增加到 2 0 1 1 m m。 3 ) 与不考虑支承框架的影响相 比， 考虑框架影 响后网壳结构的边界节点水平位移 明显增 大， 从 而 导致了网壳各节点总位移加大。由此可见， 对网壳 结构进行静力分析时 ， 是否考虑支承框架 的影响对 网壳结构的节点位移的影响很大。 4 ) 从表 2不难看 出， 考虑框架影 响后对网壳杆 件的轴力影响较大。对于径 向杆件 ， 考虑框架影 响 后 ， 网壳支座附近杆件的轴力增加很大 ， 增大到不考 虑框架影响时的 2 3 5 倍 ， 而顶点附近的杆件轴力变 化不大 ； 对于环向杆件， 考虑框架影响后 ， 越靠近支 座杆件 ， 轴力的变化幅度越大 ； 对于斜杆 ， 除 了个别 杆件外 ， 是否考虑支承框架的影响对 网壳结构的杆 件轴力的影响不大。 3 几何非线性动力时程分析 考虑单层球面网壳结构的杆件以承受轴向应力 为主， 故对其地震反应 的研究主要是分析杆件轴 向 地震内力。考虑到地震作用方向的随机性及地面运 动的往复性 ， 且 K 8型网壳结构的多轴对 称性 ， 故对 径向杆件 、 环杆以及斜杆可仅考虑最不利情况进行 I I t 。 LJ h 山 L I 1l JI llIJ 1 ” 1 11flfT 啊 。IIrr 1III1l 甲 -r ,l r 图 7 宁河天津竖向波加 速度 时程 反应 曲线 F i g 7 N i n g h e T i a n j i n e a r t h q u a k e a e e e l e r a t i o n a l t i me t r a ve l c ur ve o f Z di r e c t i on 2 0 1 2 N o 5 燕保军 ， 等： 钢筋混凝土支承框架对 K 8网壳动力性能影响的分析 6 5 分析研究。抗震计算 中最关心的也是最大响应 。 采用时程分析法对结构进行地震响应计算 ， 需 要输入地震的加速度时程曲线。本文采用宁河天津 竖向波地震记录。震级 M = 6 9 ； 持续时间 1 9 1 1 S ； 时间间隔 0 0 1 S ； 峰值 7 3 1 4 c r n s 在 9 0 3 S 。地震 加速度峰值按照 8度设防， 多遇地震 ， 设计基本地震 0 -4 8 1 2 1 6 ； 1 It 、 f J I J 7 lL fr 1 r ， r l a J J 1 1 - r 、 - L， 、 1 I l l J T - 图 8 有框架时网壳顶点竖 向位移 时程 曲线 Fi g 8 A f r a me s he fl ve r t i c a l di s pl ac e me nt a l t i m e t r av e l c ur v e of t h e ap e x o f t he s he l l 0 5 1 0 1 5 2 0 时 间 s 图 1 O 有框 架时网壳顶点竖 向加速度 时程曲线 Fi g 1 0 A f r a m e s h e ll v e r t i c al a c c e l e r a t i o n a l t i me t r a v e l c ur v e o fth e a pe x oft he s he ll 加速度为 0 1 5 g的地区进行调整 。 J 。 竖 向地震荷载作用下 ， 有框架 网壳杆件轴力 的 最大动 内力和无框架网壳杆件轴力的最大动内力见 表 3 5 ( N 为有 框架网壳柱脚输人时网壳杆件 的 最大动 内力 ； N o为无框架网壳支座输人时网壳杆件 的最大动内力 ) 。 J _IIflI J IfIL J I 、 一 f V 1 r r 。 盯 - 0 5 1 0 1 5 2 0 时 间 s 图 9 无框架时网壳顶点竖向位移 时程 曲线 Fi g 9 No f r a me s he l l ve r t i c al d i s pl ac e m e nt a l t i me t r av e l c urv e o ft he a pe x oft he s h e l l 0 5 l 0 l 5 20 时 间 ， 8 图 1 1 无框架时网壳顶点竖向加速度 时程 曲线 Fi g 1 1 No f ra me s h e l l v e rti c a l a c c e l e ra t i o n a l t i m e t ra ve l c urv e o ft he a pe x o ft he s he n 表 3 径 向杆件最大动 内力 Ta b l e 3 Th e ma x i m u m mo t i 0 n al i n t e r n a l f o r c e s o f th e r a d i al me mb e r b a r s N 表 4 环杆杆件最大动内力 Ta b l e 4 Th e ma x i mu m m o t i o n a l i n t e r n a l f o r c e s o f th e c i r c u m f e r e n t i al me mb e r b a r s N 对 比图81 l不难看 出， 与不考虑支承框架的 影响相比， 考虑框架影 响后结构 的竖 向位移时程响 应及加速度时程响应均有所下降 ， 其中最大位移 由 2 0 8 9 IT U T I 下降到 1 4 5 5 i n i n ， 最大加速度由8 0 1 m s 0 m 加 Eg 匠翻 四川建筑科学研究 第 3 8卷 下降到 3 9 6 r n s 。而且 ， 位移振动曲线的平衡位置 也 由不考 虑支承框架 影响 的 一1 1 m m下 降到 一7 mm。 从表 35可以看出， 考虑框架影响后 ， 对 网壳 杆件的动 内力影响较大。表 3显示考虑框架影 响 后 ， 网壳支座附近杆件的动内力增加很大 ， 接近增大 一 倍 ， 而从支座到顶点杆件动 内力逐渐减小为不考 虑框架影响的动内力 的 5 0 左右。环 向杆件及斜 杆的动内力较不考虑框架影响的动 内力明显减小。 其 中环 向杆 件 动拉 力及 动压 力减 小 幅度 分别 为 1 6 4 2 及 3 1 4 5 ， 斜杆动拉力及动压力减 小幅度分别为 5 0 6 7 及 5 0 6 9 。 4 结 论 通过 以上分析 比较， 可以得出如下结论 ： 1 ) 进行静力分析时 ， 与不考虑支承框架 的影响 相比， 考虑框架影响后 网壳结构 的节点位移 明显增 大 ， 其 中网壳节点最大总位移由 9 4 8 mm最大增加 到 2 0 1 1 1 T i m。考虑框架影响后 ， 网壳支座附近径向 杆件的轴力增加很大 ， 增大到不考虑框架影响时的 2 3 5倍 ， 而顶点附近的杆 件轴力变化不大 ； 对 于环 向杆件和斜杆杆件影响不大。 2 ) 进行几何非线性动力时程分析时 ， 对于支承 在框架 上的网壳结构 ， 框架的隔震作用是很明显的。 若考虑混凝土框架的弹塑性性质 ， 则隔震 作用更加 明显。若不考虑框架的影 响， 会低估 了网壳结构的 抗震刚度， 造成网壳环杆 、 斜杆及 中部径向杆件截面 过大 ， 而支座附近径 向杆 件承载能力不足 的结果。 故在分析网壳结构的抗震性能时 ， 应考虑底部支承 框架的影响。 参 考 文 献 ： 1 陈军明，陈应波 ， 吴代华 单层球面 网壳 结构地震响应 的动力 时程分析 J 空问结构 ， 1 9 9 9， 5 ( 4 )： 1 5 2 1 2 王南 ， 和海芳 ， 邢李 红 板锥柱 面网壳结构 地震响应 的动力 时程分析 J 辽宁工程技术大学学报， 2 0 0 5 ， 2 4 ( 5 ) ： 6 8 9 - 6 9 1 3 贺拥军 ， 周绪红 ， 董石麟 圆柱面 巨型 网格结 构地震 响应 时程 分析 J 湖南大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 5 ， 3 2 ( 3 ) ： 4 1 - 4 6 4 曹资， 张超 ， 张毅刚 ， 等 网壳屋 盖与下 部支承结构动力相 互作用研究 J 空间结构 ， 2 0 0 1 ， 7 ( 2) ： 1 9 2 6 5 李田 结构时程动力分析中的阻尼取值研究 J 土木工程 学报， 1 9 9 7， 3 0 ( 3) ： 6 8 - 7 3 6 王松涛， 曹资 现代抗震设计方法 M 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 9 7： 3 7 5 5 7 J G J 6 1 2 O H0 3网壳结构技术规程 s ( 上接第 5 2页) 根据 强度 要求 ， N= f A=2 1 51 6 3 21 0 = 3 5 0 8 8 k N， 根据附表 4 2 4 查得 ， = 0 3 2 9 ， 由整体 稳定性要求 ， N = = 0 3 2 91 6 3 21 0 2 1 5 = 1 1 5 4 k N， 同时局部稳定性满足要求。根据刚度 要求 ， l i=4 0 0 2 7 8=1 4 3 9 A=1 5 0 ， N = 1 1 5 4 k N。 方案三 选 用 口8 05钢板 组合 方 管 ( A= l 6 5 0 c m ， = 3 4 5 c m) 。 计算方法跟方案二相同， 得到该构件承受 的最 大轴力 N =1 6 2 4 8 k N。 表 1 3种方案的比较 Ta b l e 1 Co mp a r i s o n o f t h r e e p r o g r a m s 从表 1中可以看出， 冷弯型钢与热轧型钢相 比， 在截面面积相近的情况下 ， 冷弯型钢 的回转半径增 加了 1 0 0 和 6 1 。与相关资料表明的， 在截面面 积相近时冷弯型钢的回转半径可增大 5 0 以上 ， 惯 性矩及 面积矩可增 大 5 0 1 8 0 的结果基 本相 符。通过比较 3种方案 的承载力 ， 可知工程中采用 冷弯型钢作为轴心受压杆件的方案最经济合理。 3 结 语 本文介绍了有效宽度设计方法的原理 ， 结合工 程实例 比较三种型钢截面惯性矩 、 回转半径和承载 力 ， 验证了冷弯型钢有很好 的经济效果。与普通型 钢相比， 冷弯型钢的设计利用塑性并且具有壁薄开 展等优点 ， 可大大提高构件的承载能力 ， 从而节省大 量的钢材 ， 为工程应用提供了一定的参考。 参 考 文 献 ： 1 张耀春 钢结构设计原理 M 北京 ： 高等教育 出版社 ， 2 0 0 4 ( 2 ( 美 ) 于炜文 冷成型钢结构设计 M 3版 北京 ： 中国水利水 电出版社 ， 知识产权出版社 ， 2 0 0 3 3 1 G B 5 0 0 1 8 -2 0 0 2冷弯 薄壁型钢结构设计规范 s J 4 1 戴国欣 钢结构 M1 3版 武汉 ： 武汉理工大学出版社 ， 2 0 0 9