胡　滨　杨想红　洪晶晶

(贵州民族大学建筑工程学院，贵州 贵阳　550025)



大悬挑预应力空间钢结构自振特性分析

胡滨杨想红洪晶晶

(贵州民族大学建筑工程学院，贵州 贵阳550025)

采用ANSYS有限元分析软件及分块Lanczos法[6]，对采用预应力大悬挑钢结构的贵阳奥体中心挑棚进行自振特性分析，研究了预应力体系的存在与否对自振频率和振型的影响，为进一步研究此类结构的抗震性能提供理论依据。

预应力，大悬挑钢结构，ANSYS，自振频率，振型

0　引言

自振特性也称动力特性，通常是指结构或构件的自振频率及其相应振型等振动模态参数。结构的地震反应，除了与设防烈度、场地条件等大环境有关，还与结构的自振特性有关。因此研究结构的自振特性，对于减小地震作用进而减轻震害具有重要意义。

1　计算模型

1.1工程简介

贵阳奥体中心西看台罩棚纵向长约284.307 m，高度约52.303 m，最大宽度约68.742 m(见图1)。看台上部设一排支撑，最大悬挑约49 m，最大高度约51 m。西看台罩篷属于超限大悬挑结构，采用沿屋盖上表面径向设置预应力大悬挑斜交斜放的空间管桁架结构。通过局部布置的预应力拉索施加预应力来提高结构的竖向刚度。预应力拉索位于树状支撑点至悬挑末端附近(见图2)。该结构属于局部区域施加预应力结构。大跨度悬挑空间钢结构与预应力组合成为一种新的结构体系。

1.2有限元模型的建立

本文采用ANSYS有限元分析软件建立其分析模型。该模型含三种单元类型，分别为Beam188,Link10及Mass21，全部采用Q345钢。定义各单元的截面及材料属性。

2　自振特性分析

2.1自振特性的计算方法

结构的自振特性通常指自振周期和振型，主要由质量、刚度等因素决定，与外荷载无关。由结构动力学可知，多自由度体系无阻尼自由振动方程为[7-9]：

(1)

根据式(1)的特点，设方程的解为：

{δ}={φ}sinωt

(2)

则其动力特征方程为：

([K]-ω2[M]){φ}={0}

(3)

其中，ω为特征值，即体系的自由振动圆频率；{φ}为特征向量，即与体系自由振动圆频率相应的振型。

2.2采用预应力体系时自振频率分布规律

通过有限元软件进行模态分析，提取本算例前10阶自振频率，见表1。

表1　屋盖空间钢结构前10阶自振频率(采用预应力体系时)

通过表1,图3可以看出，结构在施加预应力时其前10阶频率的频谱非常密集，这说明其动力特性非常复杂,且前10阶振型以竖向为主，说明其竖向刚度较弱。

2.3不采用预应力体系时自振频率分布规律

通过有限元软件进行模态分析，提取本算例前10阶自振频率，见表2。

表2　屋盖空间钢结构前10阶自振频率(不采用预应力时)

通过表2，图4可以看出，结构在未施加预应力时其前10阶频率的频谱也很密集，这一点与施加预应力的情况相同，且前10阶振型以竖向为主。

3　结语

1)由结构的前10阶振型可以看出大悬挑预应力钢罩棚的振型均为竖直振型，可见结构竖向刚度比水平向刚度弱。虽然结构几何不对称，但未出现扭转振型,可见结构整体刚度均匀。

2)通过图5可以看出，采用预应力时结构前10阶自振频率比不采用预应力时略有增大，这是正常现象，因为预应力体系的引入能够提高结构的整体刚度，使得结构频率变大。但是预应力的施加，又没有明显提高结构的基本频率。这是因为局部施加的预应力索呈曲线，预应力并不是在所有点上同时减小位移。预应力的施加可以减小悬挑端部的挠度，但同时预应力却又增大了索中部对应点的挠度。

3)结构的自振频率相当密集，相邻振型间周期非常接近，在采用振型分解法对结构进行抗震验算时须对参与振型的数量选择格外小心。

[1]马克俭,张华刚,郑涛.新型建筑空间网格结构理论与实践[M].北京：人民交通出版社，2005：293-298.

[2]陈绍蕃,顾强.钢结构基础[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[3]完海鹰,黄炳生.大跨空间结构[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[4]沈祖炎,陈扬骥.网架与网壳[M].上海：同济大学出版社，1997：1-2,30-45.

[5]陆赐麟，尹思明，刘锡良.现代预应力钢结构[M].北京:人民交通出版社，2003.

[6]梁文,张文增,任排英.大型结构动力分析的LANCZOS方法及程序[J].河北建筑科技学院学报，1997，14(4)：15-19.

[7]孙庆巍.双层预应力网壳结构在地震作用下的动力稳定性分析[D].阜新：辽宁工程技术大学硕士学位论文，2005.

[8]李华.大跨度单层椭圆球面网壳结构静、动力性能研究[D].上海：同济大学工学硕士学位论文，2006.

[9]杜文风.圆柱面巨型网格结构的动力性能及动力稳定性研究[D].杭州：浙江大学硕士学位论文，2004.

Analysis on spatial steel structure natural vibration characteristics of large cantilever pre-stressed

Hu BinYang XianghongHong Jingjing

(ArchitecturalEngineeringCollege,GuizhouNationalUniversity,Guiyang550025,China)

Using the ANSYS finite element analysis software and block Lanczos method[6], this paper made natural vibration characteristics analysis on pre-stressed large cantilevered steel structure of Guiyang Olympic Sports Center, researched the influence of existing or not of pre-stressed system to natural vibration frequency and vibration mode, so as to provide theoretical basis for further research of this kind of structure seismic performance.

pre-stressed, large cantilever structure, ANSYS, natural vibration frequency, vibration mode

1009-6825(2016)19-0045-02

2016-04-23

胡滨(1980- )，男，助教；杨想红(1980- )，男，副教授；洪晶晶(1985- )，女，讲师

TU391

A