大跨空间网壳结构设计中反应谱法和时程分析法的探讨_图文_百度

1、第38卷第2期建筑结构2008年2月大跨空间网壳结构设计中反应谱法和时程分析法的探讨孙建梅张其林(同济大学土木工程学院上海200092提要反应谱理论对于解决大跨度、现代大型复杂结构的抗震设计存在较大的误差。应用振型分解反应谱法和时程分析法对大跨空间网壳结构的地震响应进行了分析和比较,讨论了矢跨比、跨度等对其的影响。分析发现,对于大跨空间网壳结构,有一定数量的“反应谱方法计算安全而时程分析危险”的杆件,设计中应注意。关键词反应谱法时程分析法大跨空间网壳结构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引言时程分析法的缺点有:1分析和结果受选择地震波的影响很大,存在一定局限性;2为得到结构反应的统计结果,必须对多条地震波进行分析,计算工作量很大;3对于大跨空间结构,由于节点和杆件数目比较多,因此采用时程分析法进行计算比较费时。以上缺点限制了时程分析法的广泛应用324。网壳结构技术规程1规定:对网壳结构地震效应进行计算时,可采用振型分解反应谱法,对于体型复杂和重要的大跨度网壳结构应采用时程分析法进行

6、补充验算。研究大跨空间网壳结构反应谱法与时程分析法的计算结果误差的大小及其影响因素,可为大跨空间网壳结构提供设计依据。1动力特性分析用反应谱法分析了三个大跨空间网壳结构的水平地震作用,分别考虑了不同矢跨比的情况,不同跨度、不同矢跨比结构的杆件数和节点数列于表1。三个算例采用了E l Centro波、上海波、唐山波和兰州波。E l Centro波的基本动力参数为8度、远震、类场地,持时30s,加速度峰值为34117cms2;上海地震波的基本动力参数为8度、远震、类场地土,持时2419s,加速度峰值为19015cms2;唐山波的参数为类场地,持时49122s,加速度峰值65194cms2;兰州波的

7、基本参数为类场地,持时1616s,加速度峰值18714cm/s2。网壳节点和杆件数量表表1跨度(m5080120矢跨比012501375015012501375015012501375015节点数量319367415847847103994311351423杆件数量117613681560319231923960357643445496与下部结构的连接通过不同的支座条件模拟。算例1为半圆形双层球壳,直径为50m,矢跨比为015时的计算模型如图1(a所示。杆件采用空间杆单元,主要的截面采用p115,p2,p3的钢管,其钢管外径分别为48,60,89mm,厚度为316,4,515mm;节点铰接,支

8、座采用三向固定铰支座,共16个;结构承受静荷载619kN,活荷载316kN,按集中质量处理。算例2为半圆形双层球壳,直径为80m,矢跨比为01375时的计算模型如图1(b所示,支座采用三向固定铰支座,共32个,结构承受静荷载1019kN,活荷载316kN,按集中质量处理。其他情况同算例1。算例3为半圆形双层球壳,直径为120m,矢跨比为0125时的计算模型如图1(c所示,支座采用三向固定铰支座,共32个,结构承受静荷载1717kN,活荷载316kN,按集中质量处理。其他情况同算例1。应用有限元分析程序对双层球面网壳结构进行了计算,采用子空间迭代方法2求出了网壳结构的前20阶自振频率和振型,其中

9、前12阶结果列于表2;图2列出了80m跨网壳结构矢跨比为015时的前12阶振型。46从表2和图2可以看出,结构频谱密集,振动复杂,表现为扭转、水平、竖向振动的耦合,故从自振特性分析,很难看出其在地震作用下的动力响应以哪个方向振动为主。由于大跨空间网壳结构的周期比较长,振型密集,为了分析振型分解反应谱法的计算精度,采用时程分析法和反应谱两种分析方法进行对比分析。不同矢跨比时的周期(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 1201299013719901335950123455012337801293830135138013337001365142两种计算方法对比分析211评价参数为了方便对计算结果的评价,定义参数mc 为:mc =时程分析法计算结果反应谱法计算结果从上式可以看出,mc >110意味着时程分析法得到的杆件内力较采用反应谱法有所增加,mc >112意味着采用时程分析法时杆件的内力较采用反应谱法时有更明显的增加,mc <110意味着采用反应谱法时结构的响应偏于保守,mc &l

13、t;018意味着采用反应谱法时结构的响应偏于更加保守。mc <018的杆件数量越多,说明采用反应谱法分析大跨空间结构时越偏于保守;mc>112的杆件数量越多,说明采用反应谱法分析大跨空间结构时越偏于危险。mc <018和mc >112的杆件数量表3跨度(m 5080120矢跨比012501375015012501375015012501375015El Centro 波上海波唐山波兰州波mc <0188088783281481461629274784mc >112992115688721619055740744120mc <01822023645711

14、927535907491181804mc >112402475133781528280823952498573mc <0185671267957250620187754757mc >112448986430210552505891736mc <01811321381410242628231092193521855234mc >1122437195321156744700423125算例中各个杆件的mc 值列于表3。由表3可得,当采用不同地震波时,各种矢跨比及跨度下,mc <018的杆件数量高达3281根,mc >112的杆件数量最多达到了2808根,说

15、明采用反应谱法时结构的响应与采用时程分析法的结构响应具有较大差异。从表3还可以 图1不同跨度的结构计算模型 图280m 跨网壳结构前12阶振型56看出,mc >112和mc <018的杆件数量与结构跨度、矢跨比以及地震波的选取有关,并且这几种影响因素相互影响。212结构杆件的划分为了分析采用反应谱方法进行结构抗震分析的精度,根据表4对结构杆件进行区间划分,定义34号区间对应的杆件为采用反应谱法计算时杆件可能偏于危险的杆件。12号区间对应的杆件为采用反应谱法计算时杆件可能偏于保守的杆件。属于4号区间的杆件在抗震设计时应该引起注意。根据表4的组合区间,可以统计得到在不同组合区间下的杆件

16、数量,见表5。由表5知:当采用不同的地震波时,危险杆件的数量分别最高达到总杆件数量的1013%,1411%,712%,2%;且危险杆件主要分布在3号区间。表5还表明,当采用不同地震波时,4号区间的杆件分别占到总杆件数量的115%,118%,1%,012%。计算发现,出当矢跨比为0125时,属于4号区间的杆件主要分布于结构的边缘,当矢跨比为015时,主要分布在与地震波传播方向垂直的轴线附近,可见这类杆件的分布位置与矢四种组合区间编号表4杆件内力(kN mc <018m >1125151#3#大于152#4# 图3危险杆件的分布图区间14危险杆件数量统计(个表5跨度(m 5080120

17、矢跨比012501375015012501375015012501375015El Centro 波上海波唐山波兰州波1400537399110894348222220000000003326137712033211241174036076584721501406617726142981615597144200000000031002112343924263203226231400011127165856175693576005721845782067524921065417517815562166300336381990264984000061244901544280646136815381

18、166106013622206283011894126466055651926306026161663420425跨比有关。地震作用下危险杆件的分布见图3。3结论(1对于大跨空间网壳结构,采用反应谱法进行分析时可能导致过于保守或过于危险的结果。(2反应谱分析法造成的误差大小与结构跨度、矢跨比及地震波的选取有关,且这几个方面相互影响。(3通过两种分析方法下结构各个杆件的内力分析,可以定量判别结构的危险杆件,也可以定量分析比较两种计算方法下结构安全性的差异。算例已表明,对于大跨空间网壳结构,会产生一定数量的“反应谱方法下安全而时程分析下危险”的杆件,在工程设计中应该引起重视。参考文献1网壳结构技术规程(J G J612003S.北京:中国建筑工业出版社,2003.2蓝天,张毅刚.大跨度屋盖结构抗震设计M.北京:中国建筑工业出版社,2000.北京市建筑设计研究院第二设计所2A5工作室中标郑州市图书馆新馆(郑州市市民文化中心项目郑州市图书馆新馆建设地址位于郑东新区拓展区,以大型一类图书馆为核心,涵盖学术交流、文化培训、延伸文化产品销