张弦梁结构动力特性分析_田向阳.pdf

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1、文章编号:1009-6825(2008)10-0082-02张弦梁结构动力特性分析收稿日期:2007-11-28作者简介:田向阳(1978-),男,硕士,助理工程师,广州市市政工程设计研究院,广东 广州 510060田 向 阳摘 要:采用由梁单元、杆单元和索单元组成的混合有限元法对简支和两端固定铰支张弦梁结构进行了动力特性分析,探讨了撑杆数目、预应力值和矢跨比等结构参数对两类张弦梁结构动力特性的影响,并就各种情况进行了比较,得出了一些有用的结论。关键词:张弦梁结构,模态分析,特征值问题,振型中图分类号:TU323.3文献标识码:A 张弦梁结构是在传统拱结构的拱体下设置预应力拉索,并在拱与拉索之

2、间布置一定数量的撑杆而得到的一种杂交结构。张弦梁与下部结构的连接多设计成一端固定铰支、另一端滑动铰支,此时对下部结构来说,上部结构的作用与简支梁相同,仅承受竖向反力。当下部支承结构抗侧移刚度较大时,张弦梁与下部结构的连接也可两端均做成固定铰接,此时上部结构对下部结构的作用类似于两铰拱,除竖向反力外,还产生水平推力作用。显然,这两种不同的支承条件所产生的影响不仅限于支承反力的变化,还将涉及张弦梁自身的受力性能。文中对具体的张弦梁算例,在两种支承条件下分别进行了动力特性分析,运用有限元软件 AN-SYS 对两类张弦梁结构的自振振型和频率进行了计算分析,分析了撑杆数目、预应力值和矢跨比等结构参数对两

3、类张弦梁结构动力特性的影响,并就各种情况进行了比较,最后得出了一些有用的结论。1 张弦梁结构的计算模型设计算模型的跨度 L=72 m,上弦采用圆弧拱,矢高 F=3.6 m(矢跨比 F/L=0.05),截面采用规格为 700 mm 400 mm12 mm 16 mm 的工字钢;下弦钢索也按圆弧形布置,向下圆弧矢高也取 3.6 m(矢跨比 D/L=0.05),钢索截面面积 1 300 mm2,弹性模量 1.8 105MPa,撑杆截面面积 2 200 mm2。钢拱及撑杆均按理想弹塑性材料考虑,屈服强度 345 MPa,弹性模量 2.06105MPa。模型按一端固定一端水平滑动及两端固定铰支两种支承条

4、件分别考虑。所有模型的撑杆均沿结构跨度方向均匀布置。为考虑屋盖面载对结构的影响,文中按照中国荷载规范 GB50009-2001 建筑结构荷载规范的规定,屋盖恒载取 0.5 kN/m2(不含刚架自重),活、雪、风等荷载综合考虑共取 0.5 kN/m2。另外,为了能够全面了解撑杆数量、预应力度及矢跨比等结构参数对结构动力特性的影响,文中做了结构变参数分析,分别考虑 1 5根撑杆的情况,50 kN,100 kN,150 kN 预应力的情况,和 1/30,1/25,1/20,1/15,1/10 矢跨比的情况。文中采用有限元软件 ANSYS 对结构动力特性进行分析,ANSYS 拥有多种功能强大的求解器,

5、可以对非线性问题和动力问题较好地进行分析。文中采用其模态分析模块,ANSYS 产品家族中的模态分析是线性分析,任何非线性特性如塑性和接触(间隙)单元,即使定义了也会被忽略。但它能够进行大变形预应力模态分析,可以在大变形静力学分析后进行预应力模态分析,这样能够计算高度变形结构的固有频率和振型。在 ANSYS 模态分析中,可选的模态提取方法有 6 种:Sub-space 法、Block Lanczos 法、PowerDvnamics 法、Reduced 法、Unsym-metric 法、Damped法。Damped 法允许在结构中包含阻尼。文中采用的模态提取方法为 Subspace 法,其具体算法

6、可参见相关文献。2 结构参数对张弦梁结构动力特性的影响分析文中通过改变张弦梁结构的 3 种主要参数,即撑杆数量、拉索预应力大小、矢跨比来分析这些参数对两类支撑条件下张弦梁结构动力特性的影响,分述如下。2.1 撑杆数量对张弦梁结构动力特性的影响如图 1 和图 2 所示分别为撑杆数量对简支、固定铰支支承条件下张弦梁前 3 阶自振频率的影响曲线,其中分别考虑了计和不计屋盖附加重量两种情况,在考虑屋盖附加重量时,按照荷载规范,屋盖恒载和活载都取 0.5 kN/m2,而两榀张弦梁之间间距取为 10 m,从图 1,图 2 可以看出,结构的自振频率受撑杆根数变化的影响不大,只是随撑杆根数的变化稍有上下波动,

7、因此,在考虑改善张弦梁结构的抗风振性能和抗震性能时,通过改变撑杆根数并不能够达到目的;另一方面在建筑师根据建筑需求设置撑杆时并不需要考虑对结构振动性能的影响。从图中数据比较可得到以下结论:1)无论何种支撑条件,当考虑屋盖附加重量时,结构各振型#82#第 34 卷 第 10 期2 0 0 8 年 4 月 山西建筑SHANXI ARCHIT ECTURE Vol.34 No.10Apr.2008 文章编号:1009-6825(2008)10-0083-02浅谈低烈度区砌体房屋结构的加固技术收稿日期:2007-12-09作者简介:陈立松(1972-),男,工程师,浙江三鼎建设集团有限公司,浙江 绍兴

8、 312000傅玉虎(1968-),男,工程师,浙江三鼎建设集团有限公司,浙江 绍兴 312000许国锋(1974-),男,工程师,浙江三鼎建设集团有限公司,浙江 绍兴 312000陈立松 傅玉虎 许国锋摘 要:探讨了低烈度区加强砌体房屋抗震加固的重要性,结合工作实际阐述了砌体房屋结构的加固原则,详细地介绍了几种砌体结构房屋的抗震加固技术方法,可供低烈度区砌体房屋结构加固工程参考。关键词:砌体结构,加固技术,地震,低烈度区中图分类号:TU746.3文献标识码:A 我国大部分地区处在 6 度 7 度的低烈度区,但近年来低烈度区时有发生较强地震,导致大量砌体房屋结构在地震中破坏非常严重,严重威胁了

9、人民的生命和财产安全。砌体结构,通常是指由粘土砖、混凝土砌块等砌成的结构。由于砌体是一种脆性材料,其抗拉、抗剪强度均较低,因而砌体房屋的抗震性能相对较差,在国内外的历次强烈地震中,砌体结构的破坏率相当高。因其材料脆弱、延性较差,地震烈度为 6 度时,对砌体结构就有破坏性,对设计不合理或施工质量差的房屋就会引起裂缝。当遇到7 度 8 度地震时,砌体结构的墙体大多会产生不同程度的裂缝。抗震性能差的一些砌体房屋还会因之发生倒塌,因此它是我国房屋结构中抗震加固的主要对象。又由于砌体结构是我国居住、办公、学校等建筑中普遍使用的一种结构形式,特别是在低烈度区,更是量大面广。因此在低烈度区加强砌体房屋的抗震

10、加固尤为重要。文中结合工作实际谈谈低烈度区砌体房屋结构的加固技术。1 砌体房屋结构抗震的加固原则1.1 保证必要的抗震整体性,基本上不损伤原有结构的强度自振频率均变小,因此当地震主要周期较长时,应充分考虑屋盖附加重量对张弦梁结构动力响应的影响。2)简支张弦梁第 1,2阶振型自振频率非常接近,若地震主要周期恰好接近该数值时,很容易引起结构前两阶振型的叠加,使得结构产生比较显著的动力响应,这对结构非常不利。而固定铰支各阶振型自振频率比较离散,不会出现这种不利情况。2.2 拉索预应力大小对张弦梁结构动力特性的影响张弦梁的刚度是由上弦拱的刚度和下弦索的预应力共同提供的,但是由于种种限制,结构的预应力不

11、可能加得很大。文中通过 ANSYS 有限元计算,适当改变预应力大小,对设置 5 根撑杆张弦梁自振性能的影响进行分析,结果表明:预应力的改变对结构的自振频率几乎没有影响,原因是张弦梁索内预应力直接或间接由上弦拱来平衡,预应力的增加使结构的自振频率增加,但同时使上弦拱承担更大的压力和剪力,从而使上弦拱的自振频率降低,两者的效应相互抵消,这样整个结构的自振频率几乎不发生改变。2.3 矢跨比对张弦梁结构动力特性的影响1)对于简支结构,无论是否考虑附加重量的影响,结构各阶振型自振频率的变化趋势大致相同,第 1 阶振型自振频率先增大后降低;第 2 阶振型自振频率受矢跨比的影响最大,而且随着矢跨比的增加,自

12、振频率先稍稍有些降低,而后有较大的增大;其他振型受到影响都不大。2)对于固定铰支结构,各阶振型自振频率随矢跨比的变化趋势也大致相同,第 1 阶振型自振频率受矢跨比影响不大,第 2,3阶振型的自振频率有随矢跨比的增大而增加的趋势,但增加的幅度在减小,甚至有转为降低的趋势。3 结语无论何种支撑条件,张弦梁结构的自振频率几乎不受设置撑杆多少的影响,只是高阶自振频率随撑杆根数的变化有微小的波动,而且当考虑屋盖附加重量时,结构各振型自振频率均变小。拉索预应力值的变化几乎不影响张弦梁的动力特性。参考文献:1 张 勇.新型大跨度轻钢结构非线性稳定分析与试验研究R.北京:清华大学博士后出站报告,2003.2

13、任志宏.点支式玻璃建筑鱼腹式柔性支撑体系动力性能分析D.北京:清华大学工学硕士学位论文,2004.6.3 GB 50009-2001,建筑结构荷载规范 S.4 白正仙.张弦梁结构的理论分析与试验研究D.天津:天津大学,1999.5吕少锋,李维滨.大跨张弦梁结构施工技术研究 J.山西建筑,2006,32(24):124-125.Dynamic performance analyses of Beam String StructureTIAN Xiang-yangAbstract:In this paper,based on finite element theory,Beam String St

14、ructure(BSS)was modeled by beam,truss and cable elements,throughmult-i parameter analyses,the effects of such factors as strut number,prestress and ratio of rise to span etc.On the dynamic performance ofBSS in two kinds of supporting conditions were clarified and compared,and some useful conclusions were drawn.Key words:Beam String Structure(BSS),modal analyses,egenvalue problem,vibration mode#83#第 34 卷 第 10 期2 0 0 8 年 4 月 山西建筑SHANXI ARCHITECTURE Vol.34 No.10Apr.2008