组合空间钢管拱桁架结构在地震下的动力响应

2010-06-12景旭东闫建勇

山西建筑 2010年8期

景旭东闫建勇

0 引言

钢管拱桁架结构因其造型美观、受力明确、施工方便,被广泛应用于大型的体育场馆、会展中心等建筑的屋面结构。目前对拱桁架结构在地震作用下尤其是在强震作用下的抗震性能的研究尚处于初级阶段,因此,对作为灾后避难场所的大跨空间结构在地震作用下的动力响应研究,具有十分重要的理论和现实意义。

1 模型的简化与选取

本文首先运用3D3S钢结构设计软件,建立拱桁架合理的结构模型。

1.1 有限元模型

所采用的三角形钢管拱桁架结构有限元分析模型如图1所示,跨度110 m(下弦杆件的成弧半径为48 m),横截面为倒三角形,最大三角形截面宽 a=2.0,高 h=2.0 m。杆件截面采用φ 159×8对应拱桁架的所有弦杆,φ 83×6对应斜腹杆,φ 70×6对应连接桁架的腹杆,结构杆件数共计为1173,节点数为419。拱架两端共8个点所加的约束均为三向不动铰支座。

1.2 荷载取值

根据GB 50009-2001建筑结构荷载规范,结合工程实际,设计时的荷载标准值如下:将屋面恒载、屋面活载折算成集中力,加在从跨中向两边分布的58个下弦节点上,按结构设计要求得到杆件截面。

1.3 单元类型

在计算时所有的杆件均选Pipe20单元,用质量单元Mass21模拟简化后屋面荷载,并加在从跨中向两边分布的58个下弦节点上,对应的集中质量为890 kg。

1.4 材料模型

材料选用Q235钢,本构关系假定为双线形随动强化(Bilinear Kinematic Hardening)弹塑性材料模型,密度为7850 kg/m3,弹性模量为206 GPa,泊松比为0.3,屈服强度为235 MPa,切线模量为6.18 GPa。

2 研究的结果与分析

在进行地震作用下结构的动力响应研究时,选取如图1所示的组合空间钢管拱桁架为研究对象,沿三向输入EL Centro地震波进行计算,时间步长为Δt=0.02 s,计算持时为7 s。改变所选的地震波的峰值大小,分别计算该结构的非线性动力响应,根据其动力响应的变化规律揭示地震作用下该结构的动力性能特点。

2.1 三向EL Centro地震波作用下的动力响应

2.1.1 动力响应的过程

当加速度峰值由400 gal增至1800 gal时,模型结构的最大位移由0.3224 m增到3.2836 m。当加速度峰值很小时,位移幅值与加速度幅值基本呈线性变化,但在荷载增量相同的情况下,加速度峰值由1500 gal变成1800 gal时,特征节点的位移由1.3812 m突然变成3.2836 m。根据B-R准则,该结构的稳定临界荷载介于1500 gal～1800 gal之间。加速度峰值与最大位移曲线见图2中的沿三向输入地震波时所得的那一条曲线。

2.1.2 特征节点的位移响应

表1 各加速度峰值下特征节点的最大位移值

表1给出了特征节点在各加速度峰值下的最大位移值。根据结构的特征点位移时程曲线可以看出各特征点位移响应的一个共同的规律:当加速度峰值小于临界荷载时,节点以初始位置为平衡位置进行振动,随着加速度峰值的增大,平衡位置逐渐偏移,但节点的位移并不发散。当加速度峰值超过临界荷载时,节点位移就发散了。

2.2 地震波的输入方向的影响

表2列出了各算例中特征节点的最大位移值。

由沿不同方向输入EL Centro波时的加速度峰值—最大位移关系曲线可以看出:当地震波沿 X向、Z向、三向分别输入时,结构的动力稳定临界加速度峰值相差很大,其中沿X向输入时的动力临界荷载为4000 gal;沿 Z向输入时的动力临界荷载为3000 gal;沿三向输入时的动力临界荷载为1500 gal。但是不管是沿哪个方向输入地震波所引起的结构最大响应总是在Z向的负方向。