kiewitt型弦支穹顶结构动力稳定性研究.pdf免费

第九届全国现代结构工程学术研讨会 i Ki ewtt型弦支穹顶结构动力稳定性研究 李永梅 赵胥英张勇波张力 (北京工业大学建筑工程学院，北京100022) 提要：考虑结构几何非线性和材料非线性，利用B．R判别准则，研究大跨度、小矢跨比的Kiewitt型弦支穹顶结构在地震 作用下的动力失稳特性，通过与相应的单层网壳进行对比分析，得出增设预应力索杆体系后，能够提高结构动力稳 定I晦界值，并减小结构失稳时产生的节点位移的结论。通过分析该结构动力稳定临界值的多种影响因素，得出跨度 增大、撑杆高度减小、固定支承、半跨活荷载以及初始缺陷将会降低结构的动力稳定临界值：矢跨比增大、上弦杆 件截面增加、初始预应力增大使结构的动力稳定临界值并不呈单调变化等结论。 关键词：Kiewitt型弦支穹顶，动力稳定，双非线性，判别准则 一、引言 弦支穹项结构体系由单层网壳和去掉上层索的张拉整体结构组成，是一种半刚性异钢种预应力空间钢 结构【l】，如后文图1所示。由于对下弦张拉体系施加预应力，使结构在施工阶段产生反拱，故能够很好的 抵抗竖向荷载，较单层网壳具有很好的静力稳定性能【l七J。目前，对于弦支穹顶结构的动力稳定性研究较少， 且限于大矢跨比、跨度不大的弦支穹顶结构f341。研究表明，弦支穹顶结构在小矢跨比、大跨度的结构中较 单层网壳更能发挥其显著优势。为了更加全面的了解弦支穹顶结构动力稳定性能，本文利用B—R判别准则 【5】，考虑结构几何非线性和材料非线性，研究大跨度、小矢跨比的Kiewitt型弦支穹顶结构在地震作用下的 动力失稳特性，并分析该结构动力稳定临界值的多种影响因素，为该类工程设计提供依据。 二、弦支穹顶结构动力稳定性研究方法 利用判别结构动力失稳的B—R准则【5】，即当结构微小荷载增量导致结构响应迅速增大时，即认为结构 发生失稳，建立适合于Kiewitt型弦支穹顶结构的动力稳定判断准则，并对其进行动力稳定分析。具体步 骤如下： 1．基本假定：a．索为理想柔性，只能承受拉力；b．考虑结构的大转角、大变形和小应变的影响；c．上弦 网壳和撑杆材料为理想弹塑性模型，Q235钢；d．仅考虑线加速度引起的惯性力，忽略角加速度引起的惯性 力；e)仅考虑线速度引起的阻尼力，忽略角速度引起的阻尼力。 2．根据以上基本假设，建立弦支穹项结构有限元分析模型，上弦网壳为空间梁单元，撑杆为空间杆单 元，索采用只能承受拉力的空间杆单元。在强震作用下，由于弦支穹顶结构具有较强的几何非线性和材料 非线性，且属于频率密集型结构，因此反应谱分析方法将不适用，应采用时程分析法。将动力反应微分方 程进行线性化处理后得到“1时刻的非线性方程为： m啦“+1’)+【ch仁“+1’)+[砗】。函o+1’)=一m啦。o+1’j+{尺(“)}， r1、 ， ． ， 、 r …．、1 度向量和位移增量向量。{尺(H)}f为f时刻节点位移高次项组成的抗力向量。[MI为总质量矩阵，采用团聚质 量矩阵，除结构自身质量外，应把屋面荷载按重力荷载代表值作用于网壳节点的等效集中力，作为该节点 基金项目：中国博士后科学基金资助项目(20060390387)。 工业建筑2009增刊 第九届全国现代结柏I程学术研讨会 的等价集中质量，且在空间三个自由度方向具有相同惯性作用。【刖r为·时刻经约柬处理和静力凝聚后的 动法则推导材料弹塑性奉构关系的物理非线性。fq川为z“时刻的结构阻尼矩阵。本文选取瑞利阻尼．对 同一结构选取相同的瑞利常数。瑞利阻尼的一个特点是高阶振型衰减速度远高于低阶振型，故瑞利振型常 按低阶振型确定。由于喇壳结构的阻尼比尚缺乏可靠的实测数据，选取钢材常用的阻尼比002、线弹性状 态下结构自振的第一、第=振型来确定瑞利常数。 进行非线性迭代计算．直至满足方程(1)为止。通过动力时程计算．得到结构在各个地震加速度下的响 应。 3为研究弦支穹项结构的动力稳定特性，逐步增大地震加速度幅值，对每级地震加速度幅值进行时 程反应分析，得到该级地震加速度幅值F的节点最大位移。由此，绘出各级地震加速度幅值F的节点最大 位移与加速度幅值曲线。加速度幅值越大，位移越大：当位移随增长发生突变时，即认为结构发生动力失 稳，此时对应的加速度幅值即为动力稳定临界值。由最大位移所对应的节点编号