地震作用下大跨度空间网架结构行波效应研究.docVIP

地震作用下大跨度空间网架结构行波效应研究【摘 要】本文通过采用一致激励和非一致激励对大跨度网架结构加载，通过动力时程分析研究地震的行波效应对大跨度空间结构地震响应的影响，讨论了相位差的不同对结构位移、速度和加速度响应的影响。对深入研究大跨度空间网架结构的抗震设计以及分析其地震响应的行波效应提供了一定的依据和方法。 【关键字】大跨度网架结构，行波效应，Newmark积分法，结构地震响应。 1. 前言 大跨度空间结构具有重量轻，刚度大，受力性能高效，生产施工快速方便，外形新颖美观等优点，因此网架结构在需要大跨度的体育场馆、展览馆和工业民用建筑中有着广泛的应用。准确地分析其地震反应是空间网架结构设计中重要的环节。而现在许多大跨度空间网架结构的跨径都在100m以上，典型的地震波波长为几百米。通过大量研究发现，当结构的跨度与地震波波长的比值γ≥1/4时，就必须考虑结构地震响应的行波效应问题，即不同地面结点之间的运动相位差。目前对大跨度桥梁地震响应的行波效应研究比较多，对空间网架结构的研究还相对较少。本文针对大跨度网架结构进行动力时程分析，地震波按照两种加载方法进行加载。一种是一致激励加载，另一种是非一致激励加载，即考虑结构地震响应的行波效应。通过ANSYS 软件计算比较了两种激励下结构的地震响应。讨论了不同相位差下结构的地震响应。对深入研究大跨度空间网架结构的抗震设计以及分析其地震响应的行波效应提供了依据和方法。 2. 基本理论 当考虑行波效应时，建立的体系的运动方程如式1。 （1） 其中，[M]、[C]和[K]分别是结构包括基础节点的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵， 、 和、 分别是结点总位移向量、加速度向量和速度向量，{F}是外力向量。 在ANSYS软件中，瞬态分析求解过程采用Newmark时间积分法方法求解式（1）。Newmark法在时间间隔Δt内采用有限差分法，表述如下： （2） （3） 其中α、δ是Newmark 积分常数；α= ，δ= ，γ为振幅衰减系数。 因为我们的主要目的是求解位移{un+ 1}，在tn+1时刻，控制方程式（1）表述如下： （4） 通过式（2）和式（3），我们可以得到tn+1时刻的位移解答如下： (5) (6) 由于 和 均可由未知量 得到，式（5）中的 代入式（6），然后一并代入式（4）得到式（7）： 一旦由式（7）得到 的解答，由式（5）和式（6），就可以得到相应的速度和加速度解答。 3. 实例分析 3.1 计算模型 某网架结构跨度47.14m×99.85m，上弦周边支承正放四角锥结构；网格尺寸3.84m×3.367m，网架边高2.1m，中间高3.28m；上弦起坡，坡度为0.14，材料均为Q235钢。设计荷载标准值为：上弦静载0.3KN/m2，上弦活荷载0.7 KN/m2；下弦静载0.8 KN/m2；基本风压0.35 KN/m2。模型图如图1。 对于Q235钢，屈服应力为fy=2.35×108N/m2，弹性模量E=2.06×1011N/m2，ET=0.01E,泊松比为0.3。单元选择LINK8单元，材料模型选择BISO模型，即双线性各向同性模型。材料的应力应变曲线如图2。 3.2 地震分析 本文为研究网架结构地震响应的行波效应，在施加地震波时，分为两种方式：一种是一致激励，另一种是非一致激励，即考虑结构地震响应的行波效应。 一致激励就是在所有基础施加的地震激励是一样的，结构基础结点的运动是一致的。非一致激励则是结构的不同基础受到不同步的地震激励。地震波的传播方向与结构的长度方向一致。施加非一致激励，即考虑行波效应时，不同基础之间的地震激励存在相位差△t，相位差△t就是地震波从前基础传到后基础所需时间。前基础在t时刻开始受到地震激励的作用，那么后基础在t+△t时刻开始受到该地震激励的作用。 根据建立的大跨度网架动力计算模型，首先分析研究了模型的结构自振特性，了解结构的动力响应特性是时程分析所必须的。 表1列出了该网架模型的一些主要动力特性。 第一阶振型 网架上下舞动 第二阶振型 网架纵向波动 第三阶振型 网架纵向弯曲波动 第四阶振型 网架横向弯曲波动 从网架有限元模型的动力特性不难看出，结构的基频为3.79Hz，基本周期为0.26s；前五阶振型中，模型均未出现扭转情况，可见结构的扭转刚度较大；由于网架跨度较大，前三阶振型对地震响应的贡献最大，应首先考虑网架横向的地震行波效应影响。 对结构模型进行行波效应分析时，结构输入地震激励按照以下4个工况： 工况一：△t=0；工况二：△t=0.25s；工况三：△t=0.5s；工况四：△t=1.5s。