四等分棱柱面网壳地震响应分析.pdf

第 卷 第 期 年 月山 东 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)().收稿日期:第一作者:蒋沅峻男.通信作者:张华刚男.文章编号:()四等分棱柱面网壳地震响应分析蒋沅峻 张华刚 孙仁中(.贵州大学 空间结构研究中心 贵州 贵阳.贵州省结构工程重点实验室 贵州 贵阳)摘要:为研究四等分棱柱面网壳的抗震性能采用有限元法分析空腹、实腹两种棱柱面网壳在地震作用下的位移和内力响应分别统计并标注敏感构件位置分析跨度、矢跨比、屋面荷载等参数对结构内力系数的影响并提出不同构件的内力系数设计值 分析结果表明这类结构以竖向振动为主不同地震作用下两种网壳变形和内力系数分布规律相似敏感构件多分布于地震波先输入的一侧空腹网壳的结构形式更有利于抗震参数取值过大均对抗震不利两种网壳的内力系数设计值可作为实际工程设计的参考关键词:四等分棱柱面网壳空腹密肋梁地震响应地震内力系数参数分析抗震设计中图分类号:.文献标志码:(.):.:密肋式折板网壳几何形式丰富、空间大且具有优良的力学性能其中人字形密肋折板拱壳被实际运用于贵州省遵义市的关岭美食城屋盖工程中其经济技术指标优良 对人字形密肋式折板壳进行一次起折形成棱柱面折板网壳相较于未起折网壳棱柱面网壳刚度更大、应力分布更均匀且具有良好的稳定性工程应用价值高 但传统的棱柱面网壳采用实腹密肋梁这不仅限制结构整体跨度还增大建材耗量 为了保持结构力学指标的同时节省材料可采用空腹夹层板替代传统密肋板实际上形成通过剪力键相连的双层网壳 研究证明空腹夹层板静、动力性能优良剪力键对结构抗震性能具有显著提升作用将其运用于棱柱面密肋式折板网壳中具有可行性 目前针对密肋式折板网壳的抗震性能研究仅涉及到人字形(关岭美食城实际工程)和 字形而尚未对棱柱面折板网壳进行较为系统的地震响应分析缺少这类结构的抗震设计方法 为了完善这类结构的抗震设计标准创造更大的经济价值本文对比分析四等分棱柱面空腹网壳和实腹网壳的自振特性以此为基础对结构在不同地震作用下的位移、内力系数等地震响应进行分析并标注敏感构件位置最后通过参数化分析形成结构动内力简化计算方法 结构概况.结构形式屋盖结构形式如图 所示该结构将圆弧四等分等分点由实腹梁(主拱、边梁、脊线)连接形成框架密肋板铺设在框架实腹梁上屋盖边缘由边缘桁架支撑 结构矢跨比 /其中 为结构矢高为结构跨度图 结构形式四等分棱柱面空腹网壳、实腹网壳的剖面图如图 所示其中空腹网壳采用空腹夹层板 为了使二者具有相近刚度采用等效刚度法对密肋梁进行等刚度换算 设空腹密肋梁截面宽度为 则等代实腹密肋梁截面宽度 由下式计算:()()()单层实腹网壳()双层空腹网壳图 四等分棱柱面网壳剖面图等代过程如图 所示:密肋梁截面高度:空腹密肋梁上/下肋截面高度:空腹密肋梁剪力键高度:空腹密肋梁截面宽度:等代实腹密肋梁截面宽度图 密肋梁等代换算.算例情况及有限元模型典型算例情况如图 所示 由图 可见典型算例跨度 侧向长度 矢高 矢跨比 /结构整体铺设 块密肋板每块密肋板划分(拱向)(侧向)个网格单个网格尺寸为 (拱向)(侧向)进行分析时以屋盖中心节点的水平投影点为坐标原点建立坐标轴 分别定拱向、侧向、矢高为、向典型算例的有限元模型如图 所示屋面板采用 单元其余构件均采用 单元拱脚固接 选用 混凝土弹性模量 /泊松比 .密度 /施加包括自重在内的均布面荷载 /图 典型算例情况(单位:)图 结构有限元模型第 期 蒋沅峻等:四等分棱柱面网壳地震响应分析 自振特性分析结构的自振特性间接反映其刚度分布规律是地震响应分析的基础 分别分析两种模型的自振特性得到二者前 阶模态的自振频率如图 所示可以发现:()两种结构自振频率变化规律相似且频谱增势稳定未表现出明显的跳跃说明两种结构的刚度分布都较为均匀()在大部分振型中空腹网壳的自振频率都大于实腹网壳最大相差.(第 阶)说明空腹密肋梁能够提高结构刚度图、图 分别为两种结构的前 阶振型可以发现两种结构振型相似且具有以下特点:()第、阶主要为结构竖向振动其中第 阶为沿 向图 前 阶自振频率对比半波振动 第阶为沿向全波振动 密肋板出现了较大变形()第 阶振动由密肋板向边缘桁架转移()第 阶振型为沿 向的半波振动中脊线附近的密肋板产生最大变形 以上结果说明:结构的竖向振动比水平振动更显著密肋板刚度对结构的动力响应产生较大影响()第 阶()第 阶()第 阶()第 阶图 空腹网壳前 阶振型对比()第 阶()第 阶()第 阶()第 阶图 实腹网壳前 阶振型对比 地震响应分析.地震波选取结构的抗震设计需满足实际工程需求因此根据关岭美食城实际工程情况设计场地信息如下:()地震基本烈度为 度()工程抗震设防类别为乙类()建筑场地类别为类()罕遇地震场地特征周期.()地震分组为第一组()弹性阻尼比为.综合上述信息选择 组天然地震波(、)并生成 组人工波()由于结构竖向振动较为明显需进行水平、竖向双向地震动输入其中水平地震从 轴负方向沿正方向一致输入竖向地震从 轴负方向沿正方向一致输入并按().()的比例进行调幅调幅后的地震波加速度时程曲线如图 所示 采用瑞利阻尼法计算得到地震动加速度目标反应谱根据规范需保证各组地震加速度时程反应谱与平均值曲线相较于规范谱在结构前 阶振型的周期点处的差值低于由图 可见 该地震波各向谱值拟合性高.节点位移响应分析对结构进行反应谱分析通过考察两种结构在不同地震波作用下的变形分布特征为实际工程的抗震设计提供参考 由上述分析可知结构以竖向振动为主因此主要考察最大竖向节点位移关于长轴()、短轴()、对角线(.)的分布情况图、图 分别为两种结构的竖向节点位移分布曲线可知:()空腹网壳在不同地震作用下的竖向节点位移分布规律一致 其长轴和对角线都出现山 东 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)年()()()图 地震波双向时程曲线 ()向地震波 ()向地震波图 地震波谱与规范谱对比()长轴 ()短轴 ()对角线图 空腹网壳最大竖向节点位移分布曲线 ()长轴 ()短轴 ()对角线图 实腹网壳最大竖向节点位移分布曲线下凹和凸起短轴出现正对称下凹 其中 凹陷区集 中在()和()两个区间内最大凹陷值约为.凸起区位于()区间最大凸起值约.()实腹网壳在不同地震作用下的位移分布规律与空腹网壳相似其凹陷和凸起区域与实腹网壳相同最大凹陷值约 最大凸起值约为.都大于空腹网壳不同的是其在两个凹陷区 间 内 还 有 小 幅 凸 起 趋 势(凸 起 幅 度 约为)综上可以得出以下结论:()不同地震作用下两种结构都呈现出相似的变形规律凸起区主要位于()区间凹陷区主要位于()区间()两种结构的最大凸起值和凹陷值均较低刚度均较高()相较于实腹网壳空腹网壳的变形分布更均匀位移值更小第 期 蒋沅峻等:四等分棱柱面网壳地震响应分析说明空腹密肋板对结构抗震承载力有一定的提高作用.单元内力响应分析地震内力系数反映了结构构件对地震作用的敏感程度是抗震设计的重要参数之一 由于大跨度网壳在静力或地震作用下均会产生弯曲所以在分析中不可忽略弯曲应力的影响因此本文参考文献采用地震内力系数修正计算法来计算单元截面的内力系数 分析两种结构长轴、短轴和对角线上单元内力系数的分布情况 分布曲线分别如图、图 所示 可以看出:()不同地震作用下空腹网壳沿拱向和对角线的内力系数都呈现增加 减小 再增加的趋势在()区间内达到最大值.内力系数沿侧向关于原点对称分布并维持在.以下()实腹网壳的拱向内力系数普遍大于空腹网壳拱底周围区域的内力系数大于中心区域沿侧向的内力系数关于原点正对称最大值约.沿对角线的内力系数分布不均匀()区间内达到最大值 综上可知:()结构的拱向内力系数普遍大于侧向内力系数表现出单向传力性质()地震作用下结构的内力敏感区集中在()区间内()相较于实腹网壳空腹网壳的内力系数较低可见双层布置降低了结构整体的敏感性 ()长轴 ()短轴 ()对角线图 空腹网壳内力系数分布曲线 ()长轴 ()短轴 ()对角线图 实腹网壳内力系数分布曲线.敏感构件统计通过地震内力系数判定敏感构件是实际工程中抗震设计的重要依据 基于上述地震内力系数分布情况采用内力系数统计方法得到不同构件的内力系数统计值并与各构件的实际内力系数进行对比若构件实际内力系数大于其统计值说明该构件地震敏感度高 两种结构的各类构件内力系数分布情况分别如图、图 所示 可以看出:()主拱的内力系数几乎都小于统计值这是因为主拱受到的静内力远大于地震时产生的动内力()边梁和脊线的内力系数分布呈现较大离散性这是因为脊线和边梁的静内力都有端点大、中部小的分布特点()密肋的内力系数分布离散性最大且出现大量敏感构件这是因为密肋梁受到的静内力较小而受到的动内力较大()空腹网壳的敏感构件少于实腹网壳说明双层网壳的结构形式显著降低了构件敏感性对两种结构所有构件的内力系数进行统计并用加粗线将敏感构件标注于图 中 可以发现:()两种结构敏感构件主要分布在地震波先输入的一侧以密肋梁为主实腹网壳的敏感构件分布更广泛()空腹网壳敏感构件集中区域为:()、()、()三个区间实腹网壳敏感构件山 东 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)年 ()边梁 ()脊线 ()密肋 ()主拱图 空腹网壳构件内力系数分布情况 ()边梁 ()脊线 ()密肋 ()主拱图 实腹网壳构件内力系数分布情况()空腹网壳()实腹网壳图 敏感构件分布情况集中区域为:()、()两个区间在实际工程的抗震设计中对上述区域的构件应加强抗震设计 内力系数参数化分析在分析结构典型算例地震响应的基础上本文以 作用为例探究结构跨度、矢跨比、屋面荷载等设计参数对不同构件内力系数的影响并形成构件内力系数设计值.结构跨度的影响新增跨度为 和 的计算模型模型其他参数与典型算例一致 经计算结构跨度对各类构件内力系数的影响如图 所示 由图可见:()随着结构跨度增大空腹网壳各类构件的内力系数呈现约.的下降趋势这是因为增大跨度同时增大了各类构件受到的静内力在相同地震作用下构件受到的动内力保持稳定其敏感性随之降低()实腹网壳各类构件的内力系数呈现增长降低的变化趋势这是因为实腹网壳的密肋板承载力相对较低跨度达到一定值时密肋板上构件受到的一部分静内力会向边缘桁架转移导致其静内力减小、敏感性增大当跨度继续增大而边缘桁架承载能力有限构件受到的静内力再次增大从而其敏感性降低 实际上过大跨度易造成几何非线性失稳对结构抗震极为不利因此需将结构跨度控制在 以下 ()空腹网壳 ()实腹网壳图 结构跨度对构件内力系数统计值的影响.矢跨比的影响新增矢跨比为/和/的计算模型模型其第 期 蒋沅峻等:四等分棱柱面网壳地震响应分析他参数与典型算例一致 经计算矢跨比对各类构件内力系数的影响如图 所示 由图可见:()空腹网壳脊线和密肋的内力系数随着矢跨比增大而增大而边梁和主拱的内力系数却呈现约.的降幅这是因为增大矢跨比使脊线和空腹密肋梁受到的静内力更多地向主拱和边梁转移导致脊线和空腹密肋梁的敏感性增大、主拱和边梁的敏感性降低()随着矢跨比增大实腹网壳各类构件的内力系数均增加原因在于增大矢跨比会显著增大实腹密肋板整体受到的静内力而边梁和主拱承载能力有限导致整体静内力向边缘桁架转移进而增大密肋板上所有构件的敏感性()空腹密肋板更能充分发挥框架实腹梁的作用减轻边缘桁架的负担另外过大矢跨比易造成非线性失稳实际工程中应将矢跨比控制在/以下 ()空腹网壳 ()实腹网壳图 矢跨比对构件内力系数统计值的影响 ()空腹网壳 ()实腹网壳图 屋面荷载对构件内力系数统计值的影响.屋面荷载的影响新增屋面荷载为 /和 /的计算模型模型其他参数与典型算例一致 经计算屋面荷载对各类构件内力系数的影响如图 所示 由图可见:()随着屋面荷载增大空腹网壳各构件的内力系数均呈现约.的增幅()实腹网壳各构件内力系数增幅先大后小出现上述现象原因在于:增大屋面荷载使各构件受到更大静内力结构整体产生更大变形构件逐渐由弹性转向塑性其敏感性也逐渐增大屋面荷载在 /以下时空腹网壳构件内力系数呈现线性增长而实腹网壳承载力相对较低在作用 /的屋面荷载之后构件已发生屈服虽然其敏感性仍在增加但增幅已相对较小实际工程中应注意控制屋面荷载在 /以下为各构件预留足够的安全储备.地震动内力简化计算通常进行结构抗震设计时无法通过精确的地震响应分析确定构件的动内力需要简化结构抗震设计方法 若已知结构静力受力情况查阅构件内力系数设计值即可初步得到结构动内力的分布和大小等信息 本文基于前述内力系数的分布情况和变化趋势进行了大量内力系数参数化计算得到的不同参数下各构件的内力系数统计值见表 基于表 计算结果采用概率统计法根据公式()计算 的保证率下两种结构各构件的内力系数设计值:()式中:为内力系数设计值为内力系数平均值为保证率 为内力系数标准差 计算结果见表 以此作为结构简化抗震设计的参考依据 表 和表 中 为边梁 为脊线 为主拱 为密肋梁 结论)四等分棱柱面网壳结构刚度分布均匀空腹网壳的刚度更高结构主要表现为竖向自振密肋板刚度对结构动力响应产生较大影响)不同地震作用下两种结构展现出相似的变形规律其中空腹网壳变形分布更均匀且凸起值和凹陷值均低于实腹网壳空腹密肋板对结构抗震承载能力具有提升作用)不同地震作用下两种结构内力系数分布规律相似都表现出单向传力性质 两种结构的内力敏感区都在()区间内)两种结构的敏感构件均以密肋梁和脊线为主空腹网壳的敏感构件显著少于实腹网壳采用双层布置能降低结构整体的地震敏感性 空腹网壳敏感构件集中在地震波先输入的一侧脊线及其周围区域实腹网壳的敏感构件集中在两侧脊线及其周围区域在实际工程的抗震设计中对上述区域的构件应加强抗震设计山 东 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)年表 不同参数下各构件内力系数统计值跨度/矢跨比屋面荷载/()空腹网壳内力系数统计值实腹网壳内力系数统计值/././.表 各构件内力系数设计值结构形式空腹.实腹.)参数取值过大均对结构抗震不利建议跨度小于、矢跨比小于/、屋面荷载小于/通过对内力系数的大量参数化计算分别得到两种结构的各构件内力系数设计值其中空腹网壳取边梁:.脊线:.主拱:.密肋:.实腹网壳取边梁:.脊线:.主拱:密肋:.参考文献:张华刚马克俭杨期柱.混凝土大跨度密肋式折板壳的结构形式与分类.贵州工业大学学报(自然科学版)():.张华刚杨期柱马克俭等.人字形密肋式折板拱壳的静力性能分析及其工程应用.建筑结构学报():.柳勇斌赵振博樊樱羞等.混凝土大跨度密肋式折板壳坡屋面起折点力学模型及数值模拟/工业建筑 年全国学术年会论文集(中册).北京:出版者不详:.朱锐张华刚陈寿延等.斜放网格棱柱面密肋折板网壳的静力特性分析.广西大学学报(自然科学版)():.唐攒辉张华刚魏威等.混凝土棱柱面网壳的几何非线性稳定性分析.应用力学学报():.黄勇马克俭张华刚等.钢筋混凝土空腹夹层板楼盖体系的研究与应用.建筑结构学报():.张定华马克俭.剪力键式空腹夹层板动力响应的研究.空间结构():.():.(下转第 页)第 期 蒋沅峻等:四等分棱柱面网壳地震响应分析居家隔离并实施药物康复治疗也能有效控制疾病的传播参考文献:.():.():.:.():.():.?.():.:.():.().():.():./.().:/./.():.(编辑:杜清玲)(上接第 页)宋勇张华刚姜岚等.人字形密肋式折板壳结构地震响应分析.贵州大学学报(自然科学版)():.姜腾钊张华刚魏威等.行波效应下混凝土 形折板网壳地震响应分析.广西大学学报(自然科学版)():.马克俭张华刚郑涛.新型建筑空间网格结构理论与实践.北京:人民交通出版社.中华人民共和国住房与城乡建设部.建筑抗震设计规范.北京:中国建筑工业出版社.范峰旺敏玲曹正罡等.半刚性节点单层球面网壳结构的抗震性能及其设计方法.土木工程学报():.韩庆华傅本钊徐颖.立体桁架结构敏感性分析及抗连续倒塌性能.中南大学学报(自然科学版)():.(编辑:郝秀清)第 期 王来全等:一类具有饱和发生率的 传染病模型