凯威特单层球面网壳结构隔震分析

23卷4期

2007年12月世 界 地 震 工 程W ORLD EARTHQUAKE ENG I N EER I NG V o.l 23,N o .4D ec .,2007收稿日期:2007-03-16; 修订日期:2007-07-23

基金项目:国家自然科学基金重点项目(项目编号:50338010)

作者简介:杨飏(1975-),女,副教授,主要从事结构振动控制的研究.

文章编号:1007-6069(2007)04-0025-05

凯威特单层球面网壳结构隔震分析

杨 飏1范 峰2沈世钊2

(1.东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳110004; 2.哈尔滨工业大学土木工程学院,黑龙江哈尔滨150090)

摘要:将凯威特网壳结构的固定支座设置成隔震支座,分别采用弹簧支座和粘弹阻尼支座对结构进行

了隔震控制。在有控和无控状态下,计算了凯威特网壳结构的自振频率,初步分析了凯威特网壳结构

的隔震控制机理。分别在常遇和罕遇各三种地震作用下,对网壳结构进行了时程分析,对网壳结构的

最大水平位移、隔震支座的最大水平位移、最大支座反力和网壳结构的杆件轴力进行了数值计算。研

究结果表明:两种隔震装置均有效地控制了凯威特网壳结构的支座反力和杆件轴力,粘弹阻尼支座还

明显地减少了隔震支座的水平位移和隔震结构的水平位移。隔震方法对于大跨网壳结构的减振是有

效的。

关键词:凯威特型网壳;隔震控制;动力响应;弹簧支座;粘弹阻尼支座

中图分类号:TU 393.3 文献标识码:A

Isol ati on anal ysis of singl e layer K e w itte l atticed spherical shell

YANG Yang 1FAN Feng 2SHEN Sh-i zhao 2

(1.C oll ege of Resou rces and C i vilEng i neeri ng ,Nort h eas t ern Un i versit y ,Sh enyang 110004,Ch i na ;

2.Schoo l ofC i vil Engi n eeri ng ,H arb i n Insti tute of Technology ,H arb i n 150090,Ch i n a)

Abst ract :Iso lation con tro l analysis is carried ou t for K e w itte latticed shell i n w h i c h all hor izontal p i n suppo rtsw ere replaced by spring supports or da m ped spring supports .The d ifferences o f the v ibration m odes and t h e frequenc i e s bet w een uncontr o lled and contro lled structure are studied by ana l y zi n g the i s o lation m echan is m of iso lated K e w itte latticed shel.l For the iso lated K e w itte structure ,its m ax i m um horizonta l d isplace m en,t the m ax i m um horizonta l disp lace m ent of isolato rs ,the m ax i m um reacti o ns of supports and the struct u ra l ele m ent ax ial f o rces are calcu lated under the action of frequent earthquakes and rare earthquakes ,respecti v e l y .The resu lts have i n dicated that t w o ki n ds of the iso lati o n devices can con tro l the reactions of Ke w itte latticed she ll effective l y .Da mped spri n g supports can a lso reduce the displace m ents of the iso lated supports and the displace m ents of the iso lated she ll sign ificantly .Iso lation is effecti v e for reduci n g the v ibrati o n of large span shel.l

K ey w ords :Ke w itte latticed shel;l isolati o n contro;l dyna m i c response ;spring suppor;t da mped spri n g support 1 引言

结构振动控制就是通过在结构上安装耗能或减振装置以减轻或抑制结构由于动力荷载引起的响应,在土木工程结构中的应用始于1972年[1]。在此之后,结构振动控制技术得到了迅速发展,目前已经成为结构工程学科中一个十分活跃的研究领域,三十年的理论和实践表明:结构振动控制可以有效地减轻结构在风和

地震等动力荷载作用下的反应和损伤,有效地提高结构的抗震能力[2]。传统的抗震策略是被动依靠结构自

身的抵抗能力,这必须以加大杆件截面、造成较多材料消耗为代价。由于地震作用的随机性,可能超出人们估计的范围而使结构产生严重破坏,因此合理有效的振动控制技术可以减轻结构的地震反应。结构振动控制主要有基础隔震、被动耗能减振、主动和半主动控制、混合控制以及近年来长足发展的智能控制[3]。结构振动控制技术研究在过去三十多年中主要集中在多、高层房屋及高耸建筑中,各种控制方法都已成功用于建筑结构减振控制。大跨空间结构通常较柔,阻尼比较低。在动力荷载作用下会发生较大的振动,影响结构的正常使用及安全。

至今,大跨空间结构振动控制方面的研究工作还处于起步阶段。这主要是由于大跨空间结构本身的复杂性和空间性所决定的,它的控制方法较一般多、高层结构控制存在很大的差异和难度。近年来,国内外许多学者在大跨空间结构振动控制方面的研究主要集中在基础隔震、结构耗能减振方面,在这方面的研究比较成熟[4~6]。也有研究学者在半主动控制、主动控制和智能控制等方面做了一系列研究,但研究工作还不多,还存在很多有待解决的问题。本文将进行大跨空间结构隔震方面的一些研究,主要控制方法是在大跨空间结构的支座处设置隔震支座,支座分为两种,一种是弹簧支座,改变结构的动力特性,另一种是弹簧和阻尼组合支座,耗散能量,减小结构在地震作用下的动力响应。文中将对凯威特型单层球面网壳结构形式进行基础隔震研究,并对结构振动控制做全过程分析。

2 计算模型

2.1 基本参数

40m 跨度的凯威特型单层球面网壳结构,矢高f =8m,矢跨比1/5,如图1所示。在网壳结构边界处设置隔震支座,支座直接与基础固接。研究网壳结构附加隔震支座后在地震作用下的动力性能。结构杆件按常规设计,安全系数为2.0,结构杆件采用截面为127mm @3.5mm 和121mm @3.5mm 的圆管截面。动力分

析时屋面荷载取值为180kg /m 2。动力计算中网壳结构采用Ray le i g h 阻尼,阻尼比为0.02,材料为Q235钢,

假定为等向强化M ises 弹塑性材料。网壳隔震中使用的隔震支座为弹性支座和弹性阻尼支座。在有限元分析中,弹性支座被两个单向弹簧所代替,弹簧刚度取1.0(106

N /m );弹性阻尼支座中弹簧刚度与弹性支座的刚度相同,支座两个水平方向的阻尼系数均为500kN s/m 。地震波为E l Centro 波、Taft 波和Northri d ge 波,地震加速度峰值为70gal 和400ga l 三向输入。采用ANSYS 软件时程分析方法进行结构在频遇地震作用和罕遇地震作用下的内力及变形计算。

2.2 结构自振特性

原结构与设置隔振支座后结构的自振频率见图2所示。阻尼支座对结构基本振型没有影响,所以两种隔震结构的各阶振型大致相同。隔震方案改变了结构的整体刚度,结构前三阶的自振频率显著减少,从第四

阶频率以后减少幅度稍减。图1

凯威特型网壳图2 网壳原结构与隔震结构频率比较

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