网架结构动力特性分析

《结构体系分析与设计》课程论文院系： 土木工程专 业： 结构工程姓 名： 郑笛华学 号： 201412212603导 师： 王建强提交日期：2015年7月8日网架结构动力特性分析1.网架结构定义及分类由许多形状和尺寸标准化的杆件与节点体系组成，一般采用型钢或钢管材料，他们按一定规律相连接成空间网格状结构。

外观呈现平板状的一般称为网架，呈曲面状的则称为网壳。

网架结构一般分为桁架体系和角锥体系。

角锥体系又可细分为三角锥体系、四角锥体系和六角锥体系。

其中，交叉桁架体系是由平面桁架交叉组成的，其可由两向平面桁架或三向平面桁架交叉而成。

倒置的四角锥体是四角锥体系网架的组成单元，这类网架上下弦平面内的网格均呈正方形。

三角锥体系则是以倒置的三角锥体为其组成单元的，锥底为等边三角形。

六角锥体系由于实际工程中较少涉及，这里不再做介绍。

2.网架结构动力分析意义与其动力特征2.1结构动力分析的意义地震对结构体造成的地震反应的强弱与以下两种因素有关：一是地震本身的动力学特征，比如产生地震的地层深度、地震波的振动频率与振幅、地震持续时间与周期变化规律等。

二是取决于结构体自身的性质，也就是与地震作用相关的特性如结构的自振周期、结构阻尼的大小等。

对于任何形式的建筑物来说，都应该满足一定的抗震能力，即达到抗震设计规范的要求，网架结构也不例外。

所以对于网架结构来说，分析其动力特性对抗震（结构设计）分析起着至关重要的作用。

同时对于不同类型的结构形式，通过大量理论研究与实验发现：在地震作用下，振型对结构动力学特性的影响较大，高于其他地震作用参数，故而在计算时应着重找出对结构造成较大影响的振型，对其进行数值模拟与分析。

2.2网架结构一般动力特性1）频谱相当密集。

网架结构频率密集这个特点尤其在低频率阶段更为显著（尤其是其水平振型方面，通常会观察到较为相近甚至等同的两种振动频率）。

2）网架结构的基频或基本周期与结构的短向跨度有关，跨度越大则基频越小。

3）网架结构的振型可以分为水平振型及竖向振型两类。

振型类型与网架边界的约束条件很有关系，当边界的水平约束较强时，网架结构的前几个振型皆为竖向振型。

4）各种不同类型网架的竖向振型曲面基本上相似。

不同类型但具有相同跨度的网架基本周期比较接近。

5）边界约束的强弱对网架结构基本周期略有影响，而对其他各自振周期影响不大。

6）荷载的大小对网架结构基本周期略有影响。

荷载越大，则自振周期也越大。

7）网架上下弦杆竖向地震分布规律与其静内力相似（上弦杆均匀受压，下弦杆件全部受拉）。

而腹杆竖向地震内力分布比较复杂，尤其是斜杆竖向地震内力由网架边缘向跨中并不是单调变化。

3.动力特性分析实例首先需要注意，通过大量计算分析得出：无论节点采取何种连接形式，当荷载作用于节点上时，杆件内力以轴力为主，当考虑节点刚度时，其引起的杆件弯矩一般较小，结构的材料按处于弹性阶段进行计算，不考虑弹塑性阶段和塑性阶段下的情况，即不考虑材料非线性。

因此，对网格结构的一般静动力计算基本的计算假定如下：1）假定节点为空间铰接节点，杆件只能承受轴向力，忽略节点刚度的影响；2）假定在荷载作用下结构变形很小，按小挠度理论进行计算；3）假定材料在弹性阶段工作，材料服从虎克定律。

图示结构为某发电厂干煤棚屋面网架，采用正放四角锥双层网架。

平面尺寸为57m*42m，网架厚度为2.5m。

研究人员采用大型通用有限元分析软件ANSYS12.1，利用其前处理的过程来建立整体空间计算模型（图１）。

考虑网架节点只传递轴力，所以杆单元类型选择Link8单元，这种单元可以模拟杆件单向的拉伸或压缩。

网架空间分析模型中节点共566个、杆单元2128个，其中上弦杆单元565个、腹杆1064个、下弦杆499个。

网架采用下弦支承，支承节点下混凝土柱间距为６ｍ，两纵边共计２０个刚性支座。

研究人员根据模态分析得出的模态频率、模态振型以及模态阻尼等，对结构的整体动态性能进行评估。

（模态分析是在分析结构固有特性的基础上，计算结构的固有频率及振型，并进一步分析结构的瞬态动力。

）结构前10阶自振频率见下表，通过对平板网架结构进行模态分析可以发现，结构在前5阶变化较大，如下图所示，且平板网架结构的频谱非常密集，相邻两个频率较为接近。

5阶以后阵型以竖向为主且变化样式较多，但由于下部约束较强，只是在局部有较小差别。

４.动力特性与抗震性能分析实例某发电厂干煤棚工程，屋面采用正放四角锥双层网架，两边下弦柱支承，屋面覆盖材料为彩钢板，两面坡排水，屋面坡度为5%，采用支托找坡。

其中，平面尺寸57m×42m，网架高度为2.5m，跨度比为Ｌ２ｈ⁄＝１６，网格尺寸为3m×3m。

杆件采用Q235B 普通焊管，上弦杆采用ϕ114×4.0，腹杆采用ϕ 88. 5×4.0，下弦杆采用ϕ 75. 5×3.75。

节点采用螺栓球。

研究人员仍利用ANSYS建立整体空间计算模型。

研究人员通过对不同的模态计算分析得出：网架在前十阶与后十阶模态表现出截然不同的变化趋势。

在前者作用下，结构的频谱在整体网架范围表现出分布密集性，而在后者作用下则只在结构局部造成小的差别，这是由于后十阶模态引起的结构的振动类型基本为竖向方位，造成连接点的分量颇大，但是仅限于竖向方位，在水平方位上产生的作用微弱。

（下图显示其前五阶振型，下表为其前二十阶频率）随后，对结构加载El Centro。

研究人员采用的分析方法为时程分析法，其特点为通过结构的动力方程直接可积分得到不同时间点结构的位移位移、速度、加速度。

研究人员分析了节点竖向与横向的位移—时间曲线，得出：当结构遭遇地震波水平方向的分向运动较为剧烈时所有的质点位移较大，运动规律不同且节点差异较大；当结构遭遇的地震波在竖向的运动分向较大时，地震波对结构的作用主要集中在与地震波竖向相同或者垂直的结构节点上。

对比可知，对于该平板网架结构，根据其自身结构的特殊性，在遭遇不同类型的地震时，总体来说，水平地震波对其影响较为强烈。

5. 动力特性与抗震加固分析实例该工程为一体育馆，体育馆位于四川省绵阳市，以体育教学功能为主，同时可满足举办手球、篮球、排球等项目的地方性、群众性运动会比赛的要求，如图所示。

建筑总高为33. 5m，总建筑面积约为15 940m2，固定坐席2 820 座，其主体结构为全现浇钢筋混凝土框架结构，抗震设防烈度为6 度，设计基本地震加速度值为0. 05g，设计特征周期0. 40s。

汶川地震之后，结构部分构件出现破坏。

根据现场检查情况，部分钢管、弦杆出现弯曲现象，局部节点部位产生裂缝，见图，说明该网架结构受地震影响后，其局部构件承载能力不能满足设防烈度提高后的要求，且破坏部位主要集中在层2与层3上弦杆、腹杆及两者衔接处。

针对其在施工过程中遭遇地震影响且震后设防烈度提高的特殊性，研究人员利用ANSYS建立该软件计算模型。

网架各层的上、下弦杆用空间梁单元Beam188 模拟，腹杆与上、下弦杆的连接节点存在一定的柔性，采用既能受拉也能受压的Link8单元，杆件两端与上、下弦杆节点铰接，网架铰接于下部结构上。

（图为整体有限元计算模型）第1阶振型为整个结构竖向振动，振型关于网架结构质心对称，且位于中部的局部3层网架部位向下振动，两端向上振动，第2阶振型为关于短轴的反对称振动，第3、4阶及后面的振型基本上均为两端网架的局部振动，说明该结构两端的刚度与中部相比相差较大，但结构的整体刚度比较好，抗震性能较好。

下图为z向激励下杆件轴力分布图。

在支座及网架端部，局部杆件已进入了屈服，不能继续承受荷载，需进行必要的加固处理。

结构受竖向地震作用时，其杆件的内力值普遍大于水平方向地震作用的数值，表明竖向地震对结构影响较大。

考虑到主要是由于设防烈度的提升导致杆件承载力的不足。

研究人员使用截面加大的钢管替换原有结构中杆件应力值较大且关键部位处的杆件。

分析显示，加固后结构应力过高现象减少，轴力分布更均匀且承载力有较大提升。

在选择地震波时综合考虑结构的所在场地，选择了适合Ⅱ类场地特征的El Centro波。

考虑7度水平地震和竖向地震作用影响，对加固前后结构进行多遇及罕遇地震弹塑性时程分析。

该结构在原设计的情况下，对于抵抗设防烈度为7度多遇地震的影响基本上是满足要求的，但是在7度罕遇地震作用下，其最大竖向位移值为109mm，已经远远超过其允许的位移值。

加固后结构在多遇地震作用下，所有构件的最大变形值都小于其相应的最大可接受限值，结构可靠性优于加固前。

另外，通过对比分析节点202与232的位移响应可以看出，结构由于中部采用局部3层的组成方式，中间部位刚度较大，其位移值小于端部的节点（节点202为网架中心部位最上层节点，232为纵向端部最高节点）。

6.总结与展望土木建筑行业的发展不断成熟，世界各地各种类型网架形式的结构随之不断出现，对此类结构的研究分析也正在不断深入。

但是由于网架结构的复杂性，其结构的分析与设计始终是一个相对复杂的问题。

与此同时，有限元分析软件不断完善，运用有限元软件对结构进行动力分析，能够大大减少手工计算量，提高工作效率。

有限元分析软件对网架结构的静力动力特性分析、抗震设计分析以及结构设计分析都产生了巨大的影响，网架结构动力分析作为其结构分析的一部分，借助有限元分析软件，也必将得到更加完善和精确的处理。