空间钢管桁架结构动力性能及抗震方法研究
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摘要
钢管桁架结构是以网架结构为基础发展起来的一种新型结构形式，这种结构形式能更充分地利用材料的特性，同时能将人们对建筑物的功能要求、美观要求与经济效益完美地结合在一起，因此钢管桁架结构在世界范围内得到了广泛的应用，但是对钢管桁架的研究偏向于具体工程实例的研究，没有形成比较通用的设计计算方法，因此有必要对钢管桁架结构进行进一步的研究来满足新的需要。钢管桁架梁和钢管桁架拱是空间钢管桁架结构的两种主要形式，本文主要对这两种结构的动力特性、动力响应及水平地震作用下的简化计算方法作了较为系统的研究。
为了得到钢管桁架梁和桁架拱的关键影响参数，为管桁结构的概念设计提供依据，利用模态分析，通过ANSYS有限元软件，分别对桁架梁和桁架拱的自振特性进行了分析，得到高跨比H/L、截面宽高比W/H和榀间距S对桁架梁、桁架拱的动力特性有一定的影响。进而利用振型分解反应谱法，分别对桁架梁和桁架拱在高跨比H/L、截面宽高比W/H和榀间距S变化下的桁架杆件轴力进行了参数分析。通过分析发现结构的高跨比H/L对桁架梁和桁架拱动力响应的影响最为显著。在进行钢管桁架梁的设计时，建议将梁的高跨比控制在1/28以内，宽高比控制在1/2.3以内，榀间距控制在4米以外，但榀间距不宜过大。在进行落地式钢管桁架拱的设计时，建议将拱的高跨比控制在1/28≤H/L≤1/8之间，宽高比控制在1/1.2以内，榀间距控制在4米以外，但榀间距也不宜过大。
另外，定义水平地震影响因子K=水平地震作用下杆件最大轴力/对应杆件在静力作用下的杆件轴力。利用振型分解反应谱法，对钢管桁架梁和桁架拱在不同工程场地、不同地震分组、不同设防烈度下的水平地震影响因子进行分析，得到场地类别、设防烈度对桁架梁和桁架拱的K影响显著，而地震分组对K影响较小。当静力作用下的杆件轴力已知时，根据K可简单、方便的计算出水平地震作用下上弦杆、下弦杆、腹杆的最大杆件轴力。
Being developed from grid structure, steel pipe truss structure is a new structural formthat can make full use of material properties, and combines with the requirements of function,beauty and economic benefits perfectly, because of this this structure is extensively applied inthe world, but the research for it tends to specific engineering examples, there is no generaldesign calculation method, so it is necessary to further study steel pipe truss structure. steelpipe truss beam and arch are two main forms of space steel pipe truss structure, this articlemainly conducts a systemic research of dynamic property, dynamic response and seismicsimplified calculation method for two forms.
In order to get pivotal impact parameters of steel pipe truss beam and arch, whichprovides the basis for the concept design of steel pipe truss structure, separately conductmodal analysis for natural vibration property of steel pipe truss beam and arch by ANSYS.The conclusion is depth-span ratios H/L, section aspect ratio W/H, hinged spacing S havecertain effects on dynamic property of steel pipe truss beam and arch. And then conductvariable parameters spectrum analysis for dynamic response of steel pipe truss beam and archseparately and the variable parameters include depth-span ratio H/L, section aspect ratio W/H,hinged spacing S. We can get the conclusion that depth-span ratio H/L influences dynamicresponse of steel pipe truss beam and arch markedly. When designing steel pipe truss beam,depth-span ratio should be controlled within1/28, aspect ratio should be controlled within1/2.3and hinged spacing should be controlled outside of4meters, but hinged spacing shouldnot be too big. When designing steel pipe truss arch, depth-span ratio should be controlled inthe range0f1/28-1/8, aspect ratio should be controlled within1/1.2and hinged spacingshould be controlled in the range0f outside of4meters, but hinged spacing should not be toobig.
Additionally, define horizontal earthquake impact factor=steel pipe’s max maximumaxial force under horizontal earthquake/corresponding steel pipe’s axial force under staticforce. Conduct a spectrum analysis for steel pipe truss beam and arch under different siteclassification， seismic intensity and earthquake group. The conclusion is that siteclassification and seismic intensity have markedly influence on K, and earthquake groupinfluences K unobviously. When the steel pipe’s axial force under static force is known, it iseasy to get top boom’s, lower boom’s and web member’s maximum axial force underhorizontal earthquake.
为了得到钢管桁架梁和桁架拱的关键影响参数，为管桁结构的概念设计提供依据，利用模态分析，通过ANSYS有限元软件，分别对桁架梁和桁架拱的自振特性进行了分析，得到高跨比H/L、截面宽高比W/H和榀间距S对桁架梁、桁架拱的动力特性有一定的影响。进而利用振型分解反应谱法，分别对桁架梁和桁架拱在高跨比H/L、截面宽高比W/H和榀间距S变化下的桁架杆件轴力进行了参数分析。通过分析发现结构的高跨比H/L对桁架梁和桁架拱动力响应的影响最为显著。在进行钢管桁架梁的设计时，建议将梁的高跨比控制在1/28以内，宽高比控制在1/2.3以内，榀间距控制在4米以外，但榀间距不宜过大。在进行落地式钢管桁架拱的设计时，建议将拱的高跨比控制在1/28≤H/L≤1/8之间，宽高比控制在1/1.2以内，榀间距控制在4米以外，但榀间距也不宜过大。
另外，定义水平地震影响因子K=水平地震作用下杆件最大轴力/对应杆件在静力作用下的杆件轴力。利用振型分解反应谱法，对钢管桁架梁和桁架拱在不同工程场地、不同地震分组、不同设防烈度下的水平地震影响因子进行分析，得到场地类别、设防烈度对桁架梁和桁架拱的K影响显著，而地震分组对K影响较小。当静力作用下的杆件轴力已知时，根据K可简单、方便的计算出水平地震作用下上弦杆、下弦杆、腹杆的最大杆件轴力。
Being developed from grid structure, steel pipe truss structure is a new structural formthat can make full use of material properties, and combines with the requirements of function,beauty and economic benefits perfectly, because of this this structure is extensively applied inthe world, but the research for it tends to specific engineering examples, there is no generaldesign calculation method, so it is necessary to further study steel pipe truss structure. steelpipe truss beam and arch are two main forms of space steel pipe truss structure, this articlemainly conducts a systemic research of dynamic property, dynamic response and seismicsimplified calculation method for two forms.
In order to get pivotal impact parameters of steel pipe truss beam and arch, whichprovides the basis for the concept design of steel pipe truss structure, separately conductmodal analysis for natural vibration property of steel pipe truss beam and arch by ANSYS.The conclusion is depth-span ratios H/L, section aspect ratio W/H, hinged spacing S havecertain effects on dynamic property of steel pipe truss beam and arch. And then conductvariable parameters spectrum analysis for dynamic response of steel pipe truss beam and archseparately and the variable parameters include depth-span ratio H/L, section aspect ratio W/H,hinged spacing S. We can get the conclusion that depth-span ratio H/L influences dynamicresponse of steel pipe truss beam and arch markedly. When designing steel pipe truss beam,depth-span ratio should be controlled within1/28, aspect ratio should be controlled within1/2.3and hinged spacing should be controlled outside of4meters, but hinged spacing shouldnot be too big. When designing steel pipe truss arch, depth-span ratio should be controlled inthe range0f1/28-1/8, aspect ratio should be controlled within1/1.2and hinged spacingshould be controlled in the range0f outside of4meters, but hinged spacing should not be toobig.
Additionally, define horizontal earthquake impact factor=steel pipe’s max maximumaxial force under horizontal earthquake/corresponding steel pipe’s axial force under staticforce. Conduct a spectrum analysis for steel pipe truss beam and arch under different siteclassification， seismic intensity and earthquake group. The conclusion is that siteclassification and seismic intensity have markedly influence on K, and earthquake groupinfluences K unobviously. When the steel pipe’s axial force under static force is known, it iseasy to get top boom’s, lower boom’s and web member’s maximum axial force underhorizontal earthquake.
引文
[1]王利金.海上平台综述.油田建设设计[J].1995年增刊.39：17-24
[2]沈世钊.大跨度空间结构理论研究若干新进展.第十一届空间结构学术会议论文集
[C].2005
[3]沈世钊.中国空间结构理论20年进展.十届空间结构学术会议论文集[C].2002
[4]刘锡良，董石麟.20年来中国空间结构形式创新.第十届空间结构学术会议论文集
[C].2002
[5]蓝天，刘枫.中国空间结构的20年.第十届空间结构学术会议论文集[C].2005
[6]吴连杰.钢管桁架结构的整体稳定性能及设计方法研究[D].北京交通大学，2007
[7]李桢章，梁志，李恺平等.广州新白云国际机场航站楼钢结构设计[J].建筑结构学报，2002，23(5)：78-83
[8]陈治，沈宏宇，孔维拯等.深圳机场T3航站楼大厅钢结构特性及施工研究[J].施工技术，2011，40(14)：35-39
[9]金俞槐.南京奥林匹克主体育场钢屋盖安装工艺[J].上海建设科技，2005，(4)：21-22，31
[10]张凤文,燕山大学.开合屋盖结构的发展及开合机理研究[J].钢结构，2001，16(4)：1-6
[11]刘文.南京国际展览中心屋面钢结构工程设计研究[J].钢结构，2001，16(4)：7-10，13
[12]郑岩.度假酒店大堂空间地域性场所的营造[J].四川建筑，2009，29(2)：47-49
[13]李国庆，王广和，纪江海等.一个经济实用的小型体育馆——保定第三中学体育馆设计谈[J].建筑创作，2002，(12)：36-39
[14]陶郅，倪阳.广州国际会议展览中心建筑设计[J].建筑学报，2003，(7)：42-46
[15]梅洪元.哈尔滨国际会展体育中心设计[J].建筑创作，2009，(4)：120-131
[16]席根喜，徐国彬.索托结构在芦城体校曲棍球馆的应用[J].空间结构，2010，16(3)：60-63
[17] Ramesh B. Malla,Puneet Agarwal.Inelastic Dynamic Progressive Collapse Analysis ofTruss Structures[C].Analysis and Computation Specialty Conference; Structures Congress;20060518-21;20060518-21; St.Louis,MI(US); St.Louis,MI(US).2006:1-10
[18] A. Fafitis.Nonlinear Truss Analysis by One Matrix Inversion[J].Journal ofStructural Engineering,2005,131(5):701-705
[19] Xu YL.,Chen ZH.,Qu WL. et al.Control of wind-excited truss tower using semiactive friction damper[J].Journal of Structural Engineering,2001,127(8):861-868
[20] Erling Murtha-Smith. Compression-Member Models for Space Trusses:Review[J].J.Struct.Eng.120,2399(1944)
[21] Y.-H. Pao and G. Sun. Dynamic Bending Strains in Planar Trusses with Pinned or RigidJoints[J]. J. Eng. Mech.129,324(2003)
[22]郑宇淳.大跨度拱形立体桁架结构的推倒分析[D].天津大学,2007
[23]李海旺，李春艳．三角形钢管桁架拱在脉冲荷载作用下的动力稳定性[J]．科学之友，2005，(Z1)：13-16
[24]高伟，陈建军，刘伟，马洪波，崔明涛.随机参数智能桁架结构动力特性分析[J].应用力学学报，2003，(1),123-127+167
[25]范重，王春光.宁波国际会议展览中心分展厅结构设计[C].第十届空间结构学术会议论文集.2002：818-825
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[28] JGJ61-2003.网壳结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2003
[29] JGJ7-91.网壳结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2003
[30]于二青.快速有限元分析程序的系统设计与算法优化[D].上海交通大学,2009
[31]陆良刚.土木工程有限元并行计算应用及其软件架构[D].中国地震局工程力学研究所，2011
[32]李慧.面向服务的有限元并行计算网格系统设计[D].湖北工业大学,2008
[33]刘齐文.大型有限元分析软件的架构设计及其核心框架的实现[D].武汉理工大学，2010
[34]杨永清.钢管混凝土拱桥横向稳定性研究[D].西南交通大学,1998
[35]马建敏，吕景林，黄协清，陈天宁.用ANSYS对复杂结构进行动态响应计算[J].机械科学与技术，1998，(6)：103-105
[36]文娟.N-S方程迎风非线性Galerkin有限元算法及其后验误差估计[D].中南大学，2009
[37]姜绍飞.人工神经网络用于建筑工程领域的数据处理方法[J].哈尔滨建筑大学学报，1999，(5)：24-28
[38]陆伟民，董伟民.利用神经网络预测域市震后火灾损失[J].同济大学学报(自然科学版).1995，(1)：15-20
[39] Bert，C.W.，Material Damping：An Introductory Review of Mathematical，Measures and Experimental Techniques[J]. J.Sound and Vibration，29（2），1973
[40] Lazan，B.J.，and Goodman，L.E.Materface and Interface Damping shock andVibration Handbook[M]，New York，McGraw-Hill Book Co.Inc.，Chap.36，1961
[41] Nelson，F.C.，and Grief，R. Damping Shock and Vibration[J].SVM-10，1975
[42] Rosenblueth，E.，and Herrera，I.On a Kind of Hysteretic Damping[J]. J.Engrg.Mech Div.Proc.ASCE，Vol，90，EM4，1964
[43]张相庭.结构阻尼耗能假设及在振动计算中的应用[J].振动与冲击，1982，(2)：12-22
[44] Clough，R.W.，and Penzien，J.，Dynamics of Structures[M]，McGraw-Hill，NewYork，1975
[45] Claret，A.M.，and Venancio—Filho，F.，A Modal Superposition Pseudo—force Method for Dynamic Analysis of Structure Systems with Non—proportional Damping[J].Earthquake Engrg.Struc.Dyn.，Vol.20,303—315,1991
[46] Singh，M.P.，and Ghafory—Ashtiany，M.，Modal Time History Analysis of Non—classically Damped Structures for Seismic Motions[J]. Earthquake Engrg.Struc.Dyn
[47] Veletsos，A.S.，and Ventura，C.E.，Modal Analysis of Non—classically DampedLinear Systems[J]. Earthquake Engrg.Struc.Dyn.，Vol.14,217—243,1986
[48] Warburton，G.B.，and Soni，S.R.，Errors in Response Calculations for Non—classically Damped Structures[J]. Earthquake Engrg.and Struc.Dyn.，5(4),1997
[49]曹资，薛素铎，王雪生，刘迎春.空间结构抗震分析中的地震波选取与阻尼比取值[J].空间结构，2008，(3)：3-8
[50]徐国彬，崔玲.建筑结构形式发展的“力矩减少论”[J].空间结构，2004，(3)：19-25+34
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