大跨钢结构动力特性

大跨钢结构动力特性分析

摘要：本文针对一大跨张弦粱钢结构工程建立了考虑楼板面内弹性变形、钢屋盖杆件偏心交汇、上弦钢梁形心主轴变化等因素的高精度有限元空间质点系计算模型，进行了采用Block Lanczos求解技术的模态分析和单点加速度响应谱分析通过对整个结构和纯钢屋盖的两种计算模型的自振周期、振型、模态系数、有效质量等的比较，表明本工程结构方案合理。各阶模态以平动为主，通过支撑构件的调整，可以减少扭转的成分，满足设计的要求。纯钢屋盖计算模型在仅考虑低阶振型参与时作为整个结构简化的计算模型。对于大跨钢结构采用振型分解反应谱法时，某些高阶振型不可忽略。．

关键词 ：钢结构，张弦粱，动力特性，反应谱，模态分析 一、工程概况

大跨钢结构是多功能体育场馆，会议展览中心，博览馆，候机厅，飞机库等常用的一种结构形式。随着工程实践的发展，大跨钢结构在计算、试验、设计、施工等各个方面积累了一定的研究成果和实践经验。上海某航站楼二期工程主楼全长414m，宽217．596m，沿停机坪长度方向分成A～E五个独立的结构区。建筑高度40．00m。下部混凝土主体结构地上为二层，层高分别为5．6m、8m。屋盖采用三跨连续、多支点支承的大跨张弦梁钢结构形式。跨度分别为64m、89m、64m，两端各悬挑7．7m。张弦梁间距为9m。作为标志性的建筑，屋盖结构在追求统一的过程中又富有灵活和多变。屋盖结构外形对称，同时为适应建筑功能的多样性以及自身结构的受力规律，结构布置又非完全对称。张弦梁支承于不同高度、不『一刚度的Y形钢柱或楼面混凝土梁上。其中Y形钢柱直接与下部混凝土柱相连。上弦钢梁为光滑弧线形连续的变截面箱梁，于各跨的支座向跨中过渡处由一枝分叉为两枝。考虑本工程规模庞大，结构复杂，特别是与普通多层钢结构、混凝土结构相比，其质量更轻、阻尼更小、柔性更大，因此更应了解其动力特性，把握结构的动力响应，使结构适应所处复杂而多变的工作环境。而进行高精度的结构动力特性分析是探求结构在水平、竖向动力荷载作用下响应的基础。 计算模型

本工程属于丙类建筑。抗震设防烈度为7度，场地类别为口类，设计地震分组为第一组，场地特征周期0．9s。混凝上强度等级为C40。小震、中震水平地震影响系数最大值分别为0．08，0．224。屋盖钢结构和下部混凝土主体结构的阻尼比分别为0．02、0．05。钢屋盖的恒载、活载分别为0．6 kN／m2、0．3 kN／m2。重力荷载代表值按1．0恒载+0．5活载计算，根据受荷面积大小将质量集中于各节点上。采用ANSYS8．1程序建立了有限元空间质点系计算模型，考虑了下部混凝土主体结构楼板面内的弹性变形，钢屋盖杆件偏心交汇、上弦钢梁形心主轴变化等因素。模型中梁、柱选用Lagrange插值函数的2节点一维梁单元：楼板选用Mindlin板单元和平面应力单元组合而成的4节点二维壳单元。C区整个结构和C区钢屋盖计算模型分别如图1和图2所示。C区整个结构、纯钢屋盖总重力荷载代表值分别为6．88eSkN、0．4le5kN。 三、模态分析

模态分析是用于确定结构的动力特r}即自振周期和振型。对于无阻尼的线性结构，其微分方程为Mx+Kx=0式r{，M、K分别为结构的质量赶-阵和刚度矩阵：』、Ⅳ分别为结点相对于地面的加速度列阵、和位移列阵。模志分析的求解是经典的特征值问题，可表Ⅱ。为K≠，=硝圳(2)式。}，：m、≯分别为第i阶模态的圃频

率和振型t03量。粟用Block Lanczos 161的求解方法。谶方法求解速度快．能提取一定范围的固有频率，因此特别适用于大型的结构计算模型。结构自振删划如图3。由图3知：两者计算模型所得的自振周期较为接近，整个结构模型所得的自振周期略人千纯钢屋盖，这是南于F部混凝十丰体结构重力荷载代表值占总霉力荷载代表值约94％，相当于纯钢屋盖在钢柱根部连接了个大质量块，幽此低阶模态主要是纯钢尾盖振动的贡献。另一方面整个结构哲町屋盖的锅柱与混凝上结构连接小是绝对的刚性约束，因此帽对于纯钢屋盖的模型，其整体刚度要小，各阶模态不再与整个结构的相应模态保持一致。 四、谱分析

谱分析是将模态分析的结果与一个已知的谱联系起来计算结构的动力响应。谱曲线反映了外界激励的强度与频率的信息。根据建筑抗震设计规范提供的建筑结构地震影响系数曲线来施加单点响应加速度谱。模态系数A(Mode Coefficient)和振型参与质量占(Effectire Mass)能较好地说明各阶模态对结构动力响应的贡献，进而确定在计算地震作用效应时需选用的振型数。模态系数足计算某阶模恋在特定方向上结杜J位移的放大系数，定义为A，=礁1 MS．／m2 (3)

南此得第i阶模忐的位移为：振型均有较大的低阶模态系数，低阶模忐数量有鲫阶左右；(2)整个结构计算模型在高于300阶模盎后出现r较大的模志系数，而在该阶桓态相应处纯镭屋盖计算模型的横忐系数不足很大．说明在发生高阶模态时下部混凝上主体结构参与了振动。(3)各方向的模态系数大小随模态阶次的变化跟结构的型式有关。c医不同结构计算模型的各阶振型参与质量累计率(按与振型参与质量总和之比进行规范)与模态阶扶的关系如图6所示。由图0结合图5可知：(1)谱分析需要较多振动模态参与，蛐整个结构计算模型的Y向、ROT x向、ROT z向需要700阶模态方能迓到振型参与质鼋累汁率90％以上的规范要求。(2)纯铡犀 盖在谱分析中所需的模态数谴比整个结构计算模型要少。(3)在谱分析中并方向所需的模巷不样，如钢尾盖计算模型的z向、Y向所需的模态分剐为I。。阶、650阶；(4)振型参与质量与模态系数闻存在的相关的对应关系。一般菜阶振型参与质量太，则该阶模忐系数就大；反之亦然。 五、结语

钢屋盖计算模型

本文针对一大跨张弦梁钢结构工程，分析和计算结果的对比，得到如下结论： 建立了整个结构和纯钢屋盖的两种计算模型。进行了动力特性分

(1)结构动力特性分析表明本工程结构方案合理。各阶模态以平动为主，通过支撑构件的调整，可

以减少扭转的成分，满足设计的要求； ．，

(2)纯钢屋盖计算模型在仅考虑低阶振型参与时作为整个结构简化的计算模型； (3)对于大跨钢结构采用振型分解反应谱法时，某些高阶振型不可忽略。 参考文献

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