[摘 要] 近年來隨著點支式玻璃帷幕結(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)點支式玻璃走廊即為將剛性梁和柔性索(包括攬風索、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;點支式;柔性支承;自振特性;內(nèi)力
1 概述
隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展、生活水平的逐漸提高,點式玻璃帷幕結(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、環(huán)保節(jié)能和施工靈活等優(yōu)點[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踐,點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],因為不能將傳統(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(包括攬風索、懸索和立面的豎索)協(xié)同工作的重屋蓋柔性支承點式玻璃建筑的工程實例,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荷載。在屋頂平面上設(shè)置了兩根攬風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)定北京基本風壓為wo50=0·45kN/m2(50年一遇),根據(jù)風洞實驗提供的體形系數(shù)來計算風載,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]進行了承載能力和正常使用狀態(tài)的驗算。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)。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試計算選用索的主要指標如表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,攬風索的主要作用為增強重屋蓋在風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 地震作用下攬風索對結(jié)構(gòu)性能的影響
(1)有無攬風索時結(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索后屋蓋結(jié)構(gòu)平面外剛度削弱較大。
(2)攬風索預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)性能的影響圖6為攬風索預(yù)應(yīng)力變化時,結(jié)構(gòu)自振周期的變化情況。橫坐標表示無量綱的預(yù)應(yīng)力的變化倍數(shù),即攬風索預(yù)應(yīng)力值改變后與其原值之比。從圖中可以看出,當攬風索預(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索預(yù)應(yīng)力的變化不敏感。圖7為攬風索預(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,當攬風索預(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,當攬風索預(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,在橫坐標為2時達到峰值,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,表明去掉攬風索后屋蓋平面外剛度削弱了。
(2)當攬風索預(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)自振特性對攬風索預(yù)應(yīng)力的變化不敏感。
(3)當攬風索預(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)當豎索預(yù)應(yīng)力變化時,懸索和攬風索的最大內(nèi)力的變化呈波動形式變化,都出現(xiàn)峰值點然后減小,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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