重屋盖走廊点支式玻璃建筑柔性支承结构地震反应分析.doc

重屋盖走廊点支式玻璃建筑柔性支承结构的地震反应分析[摘　要]　近年来随着点支式玻璃帷幕结构的广泛应用,各种新型的支承结构孕育而生,但对于结构性能的研究往往滞后于实际工程,开展新型结构的研究显得尤为重要。某重屋盖柔性支承结构点支式玻璃走廊即为将刚性梁和柔性索(包括揽风索、悬索和立面的竖索)相结合的一种新型结构形式,本文通过对该工程实例的分析计算,得出了结构的自振特性,并采用振型反应谱分析法研究了某些索内预应力的变化对结构变形和其它索内力的影响,计算结构表明,拿掉揽风索会导致屋盖平面外刚度减小,结构第二振型改变也较大。揽风索预应力的变化对结构自振特性、自身及悬索内力的影响并不显著,但对结构刚度和竖索内力的影响相对较大。而竖索预应力变化对其它索内力、结构高频自振性能及最大位移影响较大。本文结果可以为今后类似结构的研究提供参考。[关键词]　重屋盖;点支式;柔性支承;自振特性;内力 1　概述随着社会经济的飞速发展、生活水平的逐渐提高,点式玻璃帷幕结构墙在我国得到越来越广泛的应用,它具有通透性好、艺术感强、环保节能和施工灵活等优点[1~3],已成为大型公共建筑重要的组成部分。而近年来,随着点支式玻璃建筑的逐步推广,涌现了各种新型柔性支承结构,如单层索网体系,以及它与其它刚性杆、梁结构的复杂体系,而理论分析往往滞后于工程实践,点支式玻璃建筑柔性支承结构在地震作用下的动力响应和动力特性是尚未解决的技术难题[4~5],因为不能将传统的刚性结构地震作用计算方法直接用于索网结构,只能根据其具体结构具体分析。本文结合将刚性梁和柔性索(包括揽风索、悬索和立面的竖索)协同工作的重屋盖柔性支承点式玻璃建筑的工程实例,分析结构的动力特性,并采用振型分解反应谱法研究了地震作用下揽风索和竖索预应力的变化对结构变形和其它索内力的影响。2　工程概述图1为联系两座高层办公楼的某重屋盖柔性支承点支式玻璃走廊结构,其结构平、立面布置如图2所示。整个玻璃走廊是由两幢楼之间的四根悬索所支承,结构纵向长63m,横向长13·4m。悬索与楼相连处距地面9·5m,结构中间最低处距地面约6·0m。在悬索上布置钢梁,钢梁间距2·0m,在钢梁上安装玻璃屋面。钢梁两端挂拉索,并在拉索上安装玻璃幕墙,拉索在承受玻璃幕墙重量的同时也抵抗水平风荷载。在屋顶平面上设置了两根揽风索用来控制屋面水平位移,并提供整个屋盖在平面外的刚度。钢梁边缘采用钢管相连,防止钢梁的平面外失稳。入口处有一雨篷,在大门处有一钢框架,此处拉索拉于钢框架上。拉索与地面及钢框架连接处设置弹簧支座。3　支承结构索杆体系的设计结构所受荷载主要为结构自重、屋面活载及积水荷载、风载、温度荷载(±40),以及地震作用。现行荷载规范GB50009-2001规定北京基本风压为wo50=0·45kN/m2(50年一遇),根据风洞实验提供的体形系数来计算风载,场地C类。本工程主要采用了大型有限元分析计算软件ANSYS按空间整体模型对结构进行分析和计算,并依据现行结构设计规范[6~8]进行了承载能力和正常使用状态的验算。其有限元模型如图3所示,其中拉索采用link10单元,该单元为三维只拉单元,能描述拉索只能承受拉力的特性。拉索下连的弹簧采用COMBIN14单元,其它构件,如悬索上钢梁、大门处钢框架梁柱,及钢管采用eam4单元模拟,为3维弹性梁单元。正常使用阶段的位移控制,即,悬索竖向位移不得超过跨度的1/300,拉索水平位移不得超过拉索长度的1/46,屋顶水平位移不超过跨度的1/200(这里位移以钢结构和玻璃安装完成后的平衡位置为基准)。经过反复调试计算选用索的主要指标如表1所示。4　地震作用下支承结构的反应谱分析如上所述,揽风索的主要作用为增强重屋盖在风载和地震作用下平面外的刚度和稳定性,而竖索在承受玻璃幕墙重量的同时也抵抗水平风荷载和地震作用,它们对结构性能有重要的影响。因此,本文采用ANSYS研究这两种索中预应力变化对结构在地震作用下性能的影响程度,采用了振型反应谱分析方法,输入谱为加速度谱,谱的选取参照《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)5·1·5条的规定,加速度取最大地震影响系数乘上重力加速度。本工程按照8度多遇地震,第一组类场地(特征周期Tg=0·25s)进行计算,只需考虑水平地震作用(地震影响系数最大值αmax=0·16)。4·1　地震作用下揽风索对结构性能的影响(1)有无揽风索时结构自振性能的对比图4为原结构与去掉揽风索后结构的自振周期的变化情况。从图中可以看出,去掉揽风索后,结构的前两个自振周期明显增大,特别是第一个周期增为原结构的约2倍,但第三个周期以后两者的周期非常接近。此外,从图5两者的振型比较可见,揽风索对第一振型影响不大,基本都表现为弯曲型。而第二振型差别较大,