[摘 要] 近年來隨著點支式玻璃帷幕結構的廣泛應用,各種新型的支承結構孕育而生,但對于結構性能的研究往往滯后于實際工程,開展新型結構的研究顯得尤為重要。某重屋蓋柔性支承結構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)相結合的一種新型結構形式,本文通過對該工程實例的分析計算,得出了結構的自振特性,并采用振型反應譜分析法研究了某些索內預應力的變化對結構變形和其它索內力的影響,計算結構表明,拿掉攬風索會導致屋蓋平面外剛度減小,結構第二振型改變也較大。攬風索預應力的變化對結構自振特性、自身及懸索內力的影響并不顯著,但對結構剛度和豎索內力的影響相對較大。而豎索預應力變化對其它索內力、結構高頻自振性能及最大位移影響較大。本文結果可以為今后類似結構的研究提供參考。
[關鍵詞] 重屋蓋;點支式;柔性支承;自振特性;內力
1 概述
隨著社會經濟的飛速發展、生活水平的逐漸提高,點式玻璃帷幕結構墻在我國得到越來越廣泛的應用,它具有通透性好、藝術感強、環保節能和施工靈活等優點[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,涌現了各種新型柔性支承結構,如單層索網體系,以及它與其它剛性桿、梁結構的復雜體系,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構在地震作用下的動力響應和動力特性是尚未解決的技術難題[4~5],因為不能將傳統的剛性結構地震作用計算方法直接用于索網結構,只能根據其具體結構具體分析。本文結合將剛性梁和柔性索(包括攬風索、懸索和立面的豎索)協同工作的重屋蓋柔性支承點式玻璃建筑的工程實例,分析結構的動力特性,并采用振型分解反應譜法研究了地震作用下攬風索和豎索預應力的變化對結構變形和其它索內力的影響。
2 工程概述
圖1為聯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構,其結構平、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,結構縱向長63m,橫向長13·4m。懸索與樓相連處距地面9·5m,結構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。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置彈簧支座。
3 支承結構索桿體系的設計結構所受荷載主要為結構自重、屋面活載及積水荷載、風載、溫度荷載(±40℃),以及地震作用。現行荷載規范GB50009-2001規定北京基本風壓為wo50=0·45kN/m2(50年一遇),根據風洞實驗提供的體形系數來計算風載,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構進行分析和計算,并依據現行結構設計規范[6~8]進行了承載能力和正常使用狀態的驗算。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(這里位移以鋼結構和玻璃安裝完成后的平衡位置為基準)。經過反復調試計算選用索的主要指標如表1所示。
4 地震作用下支承結構的反應譜分析
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,它們對結構性能有重要的影響。因此,本文采用ANSYS研究這兩種索中預應力變化對結構在地震作用下性能的影響程度,采用了振型反應譜分析方法,輸入譜為加速度譜,譜的選取參照《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001)5·1·5條的規定,加速
度取最大地震影響系數乘上重力加速度。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(地震影響系數最大值αmax=0·16)。
4·1 地震作用下攬風索對結構性能的影響
(1)有無攬風索時結構自振性能的對比圖4為原結構與去掉攬風索后結構的自振周期的變化情況。從圖中可以看出,去掉攬風索后,結構的前兩個自振周期明顯增大,特別是第一個周期增為原結構的約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,基本都表現為彎曲型。而第二振型差別較大,原結構表現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少于后者。以上分析表明去掉攬風索后屋蓋結構平面外剛度削弱較大。
(2)攬風索預應力對結構性能的影響圖6為攬風索預應力變化時,結構自振周期的變化情況。橫坐標表示無量綱的預應力的變化倍數,即攬風索預應力值改變后與其原值之比。從圖中可以看出,當攬風索預應力增大時,結構的每階自振周期呈線性減小趨勢,這表明結構的剛度隨攬風索預應力的減小而增大,但這種線性變化也表明自振特性對攬風索預應力的變化不敏感。圖7為攬風索預應力大小對其它索中最大內力的影響情況,圖中表明,懸索最大內力先增加后又局部減小,呈“S”型上升的趨勢,而攬風索的內力則基本不變,說明它的預應力的變化對其自身及懸索的影響并不顯著。隨著攬風索預應力的增大,豎索最大內力一開始先減小后增大,當攬風索預應力增至10~11倍左右時,拉索內力開始迅速增加,這說明,當攬風索預應力增加至10倍以上后,它對豎索內力的影響較大。圖8所示為攬風索預應力大小對結構y向最大位移的影響(y方向如圖2中所示,計算結果表明結當豎索內力變化時,懸索中最大內力先迅速增大,在豎索預應力增至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,而攬風索的內力在豎索預應力為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,結構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,基本都表現彎曲型。而第二振型原結構表現為兩端局部索的反對稱變形,而無攬風索時結構整體表現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)當攬風索預應力增大時,結構的每階自振周期呈線性減小趨勢,這表明結構的剛度隨攬風索預應力的減小而增大,另方面這種線性變化關系也表明結構自振特性對攬風索預應力的變化不敏感。
(3)當攬風索預應力增大時,懸索最大內力先增加后又局部減小,呈“S”型上升的趨勢,而攬風索中內力則基本不變,說明它的預應力的變化對其自身及懸索的影響并不顯著。豎索最大內力一開始先減小后增大,特別是攬風索預應力增加至10倍以上后,豎索內力迅速增大。
(4)結構的最大位移隨著攬風索的預應力變化基本呈雙曲線形式減小,這表明結構剛度對攬風索預應力的變化較為敏感。
(5)改變豎索的預應力時,結構的第一、二振型和拿掉攬風索后結構的相應振型比較相似,而第三振型則和原結構的相應振型相似。同時豎索的預應力與第一周期基本呈線性關系減小,但其與第二、三周期則表現出明顯的非線性關系,這表明高頻振型自振性能受豎索預應力的影響更大。
(6)當豎索預應力變化時,懸索和攬風索的最大內力的變化呈波動形式變化,都出現峰值點然后減小,而豎索內力則基本不變。豎索預應力與結構最大位移關系也呈雙曲線變化的關系,表明豎索預應力對結構的內力、位移的影響較顯著。
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[8] GBJ17-88,《鋼結構設計規范》[S]
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