[摘 要] 近年來隨著點(diǎn)支式玻璃帷幕結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用,各種新型的支承結(jié)構(gòu)孕育而生,但對于結(jié)構(gòu)性能的研究往往滯后于實(shí)際工程,開展新型結(jié)構(gòu)的研究顯得尤為重要。某重屋蓋柔性支承結(jié)構(gòu)點(diǎn)支式玻璃走廊即為將剛性梁和柔性索(包括攬風(fēng)索、懸索和立面的豎索)相結(jié)合的一種新型結(jié)構(gòu)形式,本文通過對該工程實(shí)例的分析計算,得出了結(jié)構(gòu)的自振特性,并采用振型反應(yīng)譜分析法研究了某些索內(nèi)預(yù)應(yīng)力的變化對結(jié)構(gòu)變形和其它索內(nèi)力的影響,計算結(jié)構(gòu)表明,拿掉攬風(fēng)索會導(dǎo)致屋蓋平面外剛度減小,結(jié)構(gòu)第二振型改變也較大。攬風(fēng)索預(yù)應(yīng)力的變化對結(jié)構(gòu)自振特性、自身及懸索內(nèi)力的影響并不顯著,但對結(jié)構(gòu)剛度和豎索內(nèi)力的影響相對較大。而豎索預(yù)應(yīng)力變化對其它索內(nèi)力、結(jié)構(gòu)高頻自振性能及最大位移影響較大。本文結(jié)果可以為今后類似結(jié)構(gòu)的研究提供參考。
[關(guān)鍵詞] 重屋蓋;點(diǎn)支式;柔性支承;自振特性;內(nèi)力
1 概述
隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展、生活水平的逐漸提高,點(diǎn)式玻璃帷幕結(jié)構(gòu)墻在我國得到越來越廣泛的應(yīng)用,它具有通透性好、藝術(shù)感強(qiáng)、環(huán)保節(jié)能和施工靈活等優(yōu)點(diǎn)[1~3],已成為大型公共建筑重要的組成部分。而近年來,隨著點(diǎn)支式玻璃建筑的逐步推廣,涌現(xiàn)了各種新型柔性支承結(jié)構(gòu),如單層索網(wǎng)體系,以及它與其它剛性桿、梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜體系,而理論分析往往滯后于工程實(shí)踐,點(diǎn)支式玻璃建筑柔性支承結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力響應(yīng)和動力特性是尚未解決的技術(shù)難題[4~5],因?yàn)椴荒軐鹘y(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)地震作用計算方法直接用于索網(wǎng)結(jié)構(gòu),只能根據(jù)其具體結(jié)構(gòu)具體分析。本文結(jié)合將剛性梁和柔性索(包括攬風(fēng)索、懸索和立面的豎索)協(xié)同工作的重屋蓋柔性支承點(diǎn)式玻璃建筑的工程實(shí)例,分析結(jié)構(gòu)的動力特性,并采用振型分解反應(yīng)譜法研究了地震作用下攬風(fēng)索和豎索預(yù)應(yīng)力的變化對結(jié)構(gòu)變形和其它索內(nèi)力的影響。
2 工程概述
圖1為聯(lián)系兩座高層辦公樓的某重屋蓋柔性支承點(diǎn)支式玻璃走廊結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)平、立面布置如圖2所示。整個玻璃走廊是由兩幢樓之間的四根懸索所支承,結(jié)構(gòu)縱向長63m,橫向長13·4m。懸索與樓相連處距地面9·5m,結(jié)構(gòu)中間最低處距地面約6·0m。在懸索上布置鋼梁,鋼梁間距2·0m,在鋼梁上安裝玻璃屋面。鋼梁兩端掛拉索,并在拉索上安裝玻璃幕墻,拉索在承受玻璃幕墻重量的同時也抵抗水平風(fēng)荷載。在屋頂平面上設(shè)置了兩根攬風(fēng)索用來控制屋面水平位移,并提供整個屋蓋在平面外的剛度。鋼梁邊緣采用鋼管相連,防止鋼梁的平面外失穩(wěn)。入口處有一雨篷,在大門處有一鋼框架,此處拉索拉于鋼框架上。拉索與地面及鋼框架連接處設(shè)置彈簧支座。
3 支承結(jié)構(gòu)索桿體系的設(shè)計結(jié)構(gòu)所受荷載主要為結(jié)構(gòu)自重、屋面活載及積水荷載、風(fēng)載、溫度荷載(±40℃),以及地震作用。現(xiàn)行荷載規(guī)范GB50009-2001規(guī)定北京基本風(fēng)壓為wo50=0·45kN/m2(50年一遇),根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)提供的體形系數(shù)來計算風(fēng)載,場地C類。本工程主要采用了大型有限元分析計算軟件
ANSYS按空間整體模型對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和計算,并依據(jù)現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[6~8]進(jìn)行了承載能力和正常使用狀態(tài)的驗(yàn)算。其有限元模型如圖3所示,其中拉索采用link10單元,該單元為三維只拉單元,能描述拉索只能承受拉力的特性。拉索下連的彈簧采用COMBIN14單元,其它構(gòu)件,如懸索上鋼梁、大門處鋼框架梁柱,及鋼管采用eam4單元模擬,為3維彈性梁單元。正常使用階段的位移控制,即,懸索豎向位移不得超過跨度的1/300,拉索水平位移不得超過拉索長度的1/46,屋頂水平位移不超過跨度的1/200(這里位移以鋼結(jié)構(gòu)和玻璃安裝完成后的平衡位置為基準(zhǔn))。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試計算選用索的主要指標(biāo)如表1所示。
4 地震作用下支承結(jié)構(gòu)的反應(yīng)譜分析
如上所述,攬風(fēng)索的主要作用為增強(qiáng)重屋蓋在風(fēng)載和地震作用下平面外的剛度和穩(wěn)定性,而豎索在承受玻璃幕墻重量的同時也抵抗水平風(fēng)荷載和地震作用,它們對結(jié)構(gòu)性能有重要的影響。因此,本文采用ANSYS研究這兩種索中預(yù)應(yīng)力變化對結(jié)構(gòu)在地震作用下性能的影響程度,采用了振型反應(yīng)譜分析方法,輸入譜為加速度譜,譜的選取參照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2001)5·1·5條的規(guī)定,加速
度取最大地震影響系數(shù)乘上重力加速度。本工程按照8度多遇地震,第一組Ⅰ類場地(特征周期Tg=0·25s)進(jìn)行計算,只需考慮水平地震作用(地震影響系數(shù)最大值αmax=0·16)。
4·1 地震作用下攬風(fēng)索對結(jié)構(gòu)性能的影響
(1)有無攬風(fēng)索時結(jié)構(gòu)自振性能的對比圖4為原結(jié)構(gòu)與去掉攬風(fēng)索后結(jié)構(gòu)的自振周期的變化情況。從圖中可以看出,去掉攬風(fēng)索后,結(jié)構(gòu)的前兩個自振周期明顯增大,特別是第一個周期增為原結(jié)構(gòu)的約2倍,但第三個周期以后兩者的周期非常接近。
此外,從圖5兩者的振型比較可見,攬風(fēng)索對第一振型影響不大,基本都表現(xiàn)為彎曲型。而第二振型差別較大,原結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為兩端局部索的反對稱變形,而生變形,只是前者變形的索個數(shù)少于后者。以上分析表明去掉攬風(fēng)索后屋蓋結(jié)構(gòu)平面外剛度削弱較大。
(2)攬風(fēng)索預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)性能的影響圖6為攬風(fēng)索預(yù)應(yīng)力變化時,結(jié)構(gòu)自振周期的變化情況。橫坐標(biāo)表示無量綱的預(yù)應(yīng)力的變化倍數(shù),即攬風(fēng)索預(yù)應(yīng)力值改變后與其原值之比。從圖中可以看出,當(dāng)攬風(fēng)索預(yù)應(yīng)力增大時,結(jié)構(gòu)的每階自振周期呈線性減小趨勢,這表明結(jié)構(gòu)的剛度隨攬風(fēng)索預(yù)應(yīng)力的減小而增大,但這種線性變化也表明自振特性對攬風(fēng)索預(yù)應(yīng)力的變化不敏感。圖7為攬風(fēng)索預(yù)應(yīng)力大小對其它索中最大內(nèi)力的影響情況,圖中表明,懸索最大內(nèi)力先增加后又局部減小,呈“S”型上升的趨勢,而攬風(fēng)索的內(nèi)力則基本不變,說明它的預(yù)應(yīng)力的變化對其自身及懸索的影響并不顯著。隨著攬風(fēng)索預(yù)應(yīng)力的增大,豎索最大內(nèi)力一開始先減小后增大,當(dāng)攬風(fēng)索預(yù)應(yīng)力增至10~11倍左右時,拉索內(nèi)力開始迅速增加,這說明,當(dāng)攬風(fēng)索預(yù)應(yīng)力增加至10倍以上后,它對豎索內(nèi)力的影響較大。圖8所示為攬風(fēng)索預(yù)應(yīng)力大小對結(jié)構(gòu)y向最大位移的影響(y方向如圖2中所示,計算結(jié)果表明結(jié)當(dāng)豎索內(nèi)力變化時,懸索中最大內(nèi)力先迅速增大,在豎索預(yù)應(yīng)力增至1·5~2·5倍之間達(dá)到峰值后又迅速減小,然后緩慢增加保持增長幅度在20~25%左右,而攬風(fēng)索的內(nèi)力在豎索預(yù)應(yīng)力為1~2之間時先減小,而后迅速增加,在橫坐標(biāo)為2時達(dá)到峰值,然后呈階梯狀快速減小的趨勢。豎索內(nèi)力的大小基本不變,基本呈緩慢減小的趨勢。
(1)去掉攬風(fēng)索后,結(jié)構(gòu)的前兩個自振周期明顯增大,特別是第一周期。但攬風(fēng)索對第一振型影響不大,基本都表現(xiàn)彎曲型。而第二振型原結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為兩端局部索的反對稱變形,而無攬風(fēng)索時結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)為剪切型反對稱變形,第三振兩者較相似,表明去掉攬風(fēng)索后屋蓋平面外剛度削弱了。
(2)當(dāng)攬風(fēng)索預(yù)應(yīng)力增大時,結(jié)構(gòu)的每階自振周期呈線性減小趨勢,這表明結(jié)構(gòu)的剛度隨攬風(fēng)索預(yù)應(yīng)力的減小而增大,另方面這種線性變化關(guān)系也表明結(jié)構(gòu)自振特性對攬風(fēng)索預(yù)應(yīng)力的變化不敏感。
(3)當(dāng)攬風(fēng)索預(yù)應(yīng)力增大時,懸索最大內(nèi)力先增加后又局部減小,呈“S”型上升的趨勢,而攬風(fēng)索中內(nèi)力則基本不變,說明它的預(yù)應(yīng)力的變化對其自身及懸索的影響并不顯著。豎索最大內(nèi)力一開始先減小后增大,特別是攬風(fēng)索預(yù)應(yīng)力增加至10倍以上后,豎索內(nèi)力迅速增大。
(4)結(jié)構(gòu)的最大位移隨著攬風(fēng)索的預(yù)應(yīng)力變化基本呈雙曲線形式減小,這表明結(jié)構(gòu)剛度對攬風(fēng)索預(yù)應(yīng)力的變化較為敏感。
(5)改變豎索的預(yù)應(yīng)力時,結(jié)構(gòu)的第一、二振型和拿掉攬風(fēng)索后結(jié)構(gòu)的相應(yīng)振型比較相似,而第三振型則和原結(jié)構(gòu)的相應(yīng)振型相似。同時豎索的預(yù)應(yīng)力與第一周期基本呈線性關(guān)系減小,但其與第二、三周期則表現(xiàn)出明顯的非線性關(guān)系,這表明高頻振型自振性能受豎索預(yù)應(yīng)力的影響更大。
(6)當(dāng)豎索預(yù)應(yīng)力變化時,懸索和攬風(fēng)索的最大內(nèi)力的變化呈波動形式變化,都出現(xiàn)峰值點(diǎn)然后減小,而豎索內(nèi)力則基本不變。豎索預(yù)應(yīng)力與結(jié)構(gòu)最大位移關(guān)系也呈雙曲線變化的關(guān)系,表明豎索預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移的影響較顯著。
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