地震作用下弦支穹顶结构的动力稳定性.pdf

第六届全国现代结构工程学术研讨会 地震作用下弦支穹顶结构的动力稳定性 王秀丽 孙晓骥 (兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州730050) 摘要：本文以具有实际工程意义的50m跨度K8型弦支穹顶结构为研究对象，研究了其在地震作用下的动力失稳特点，并与相应 的单层网壳结构进行对比。系统分析了多种因素对弦支穹顶结构动力稳定性临界荷载的影响，其中包括：不同矢跨比和不同杆件 截面的影响；不同拉索布置层数的影响：不同拉索预应力值的影响；考虑材料塑性的影响：不同地震输入的影响。 关键词：弦支穹顶，动力稳定性，地震作用，预应力 ．^』．—J-_ 一、月IJ茜 M 且在国内外已有工程应用的实例∞~5’。然而由于其发展的时间比较短，这类结构体系抗震性能的研究相对较少， 只有少数文章涉及这个问题哺~91，对这类结构在地震等动力作用下十分重要的动力稳定性问题的研究还未见有 文献涉及‘川。 典型的弦支穹顶结构体系构成如图1所示。其顶面采用单层网壳，通过下部的多个弦支层而组成的一种新 的结构形式。一个弦支层包括同一纬线圈上的一组撑杆及与之相联系的斜索和环索，如图c。其中撑杆上端 铰接于网壳节点，下端连接斜索和环索。这种结构形式综合了索穹顶和网壳结构的优点，同时弥补了它们各 自的不足之处5|。 b c a 图1弦支穹顶结构示意图 本文以具有实际工程意义的50m跨度K8型弦支穹顶为研究对象，研究了弦支穹顶结构在地震作用下的动力 失稳特点。系统分析了各种因素对弦支穹顶结构动力稳定性临界荷载的影响，其中包括：考虑材料塑性：不同矢 跨比和不同杆件截面的影响；不同拉索布置层数的影响；不同拉索预应力值的影响；不同地震输入的影响。 在此基础上初步探讨了弦支穹项结构的抗震问题。 706 工业建筑2006增刊 第六届全国现代结构工程学术研讨会 二、结构动力稳定性判别方法 文献[11]提出的结构动力稳定性判别方法定义为：当荷载幅值的微小增量导致结构特征响应指标的较大 变化时，结构可视为动力失稳，此时所对应的荷载定义为结构的动力稳定性临界荷载。在文献[12～13]中，应 用该判别方法对不同类型荷载作用下网壳结构的弹塑性动力稳定性进行了分析，取得了有较好规律性的结果。 本文采用该判定方法对弦支穹顶结构进行动力稳定性分析。 具体分析方法是：以逐步加大的荷载幅值为参数，对应每一荷载幅值作一次双重非线性动力时程分析，记 录结构特征响应，然后绘制荷载幅值与结构特征响应之间的关系曲线。通过该曲线可全面了解随荷载幅值增 大结构动力性状不断变化乃至失稳的全过程。弦支穹顶结构的动力稳定性临界荷载可以这一全过程曲线为基 础来确定。 ～ 本文以弦支穹顶结构运动位移包络面上的最大位移作为判别指标。通过荷载幅值一结构最大位移曲线来判 断结构的动力稳定性。曲线上每一点对应某一幅值荷载作用下结构曾经达到的最大位移。．当结构运动状态保 持稳定时，其位移外包络面随着荷载幅值的逐渐增加而均匀增大：当结构动力失稳时，微小的荷载幅值增量将 导致结构位移外包络面的突然增大。该指标能体现结构的整体动力特性。具体分析过程见典型算例。 三、结构参数与静力稳定临界荷载 力值参照文献[9]提出的方法设定，即将预应力比值按照由外圈向中心设为5：4：3：2：l，以最外层拉索的应力 值来控制其余的拉索应力；拉索层数设为三层；假定上部壳节点为刚接，下部撑杆与壳铰接；撑杆截面全部 通用有限元分析软件ANSYS进行数值计算，上层杆件采用空间管单元(Pipe20)，下部拉索采用单向拉伸杆单元 (Link 10)，撑杆采用拉压杆单元(Link 阻尼，阻尼比取0．02u4|；材料为Q235钢，假定为理想弹塑性材料。考虑网壳初始静载，荷载采用加速度的方 式施加(1Gal=lcm／s2，g=9．8m／s2)，地震波持时为10s。 截面尺寸、拉索预应力值及静力稳定临界荷载见表l。由表l可知，所选择的杆件截面是满足实际工