某双层扁平椭球网壳的静力分析和强震作用下的动力分析.docx
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某双层扁平椭球网壳的静力分析和强震作用下的动力分析
某双层扁平椭球网壳的静力分析和强震作用下的动力分析
摘要
汶川地震后大部分建筑物的倒塌使得建筑物的抗震性能和地区设防烈度成为人们非常关注的问题,提高设防区设防烈度的呼声很高。
然而全面提高设防区设防烈度是不现实的,但某些重要的建筑物在高于本地区设防烈度的地震作用下是否安全是极需考虑的问题。
网壳结构通常作为重要大型建筑的屋盖,形式多样,受力复杂,节点和杆件数量巨大,其在强震作用下的研究非常重要。
为了验证网壳结构在强震作用下的安全性,本文对山西长子县体育馆的双层扁平椭球网壳屋盖进行了静力分析和强震作用下的动力分析,主要的研究工作及成果包括:
1.对整个网壳在3D3S进行实体建模,分析在29种工况组合下网壳结构的静力受力性能。
从中得到对于此网壳结构的最不利工况组合,并得到其主要控制工况。
同时发现网壳结构杆件的受力性能和规律,并对类似结构提出一些建议。
2.分别在3D3S和SAP2000中建立模型进行自振特性的分析,通过对比自振周期和频率,验证了SAP2000分析的正确性,为进行正确的时程分析打下基础。
文中还选取了不同支座对结构进行自振特性分析对比。
从分析的结果中得到此结构的自振特性和振动规律,总结了支座对结构自振特性的影响。
3.本工程所在地区地震设防烈度为6度,而本文利用SAP2000模拟结构在7度罕遇地震作用下的地震响应,预测结构的安全性。
同时就是否需要考虑竖向地震和三向地震耦合对结构的影响,分别进行了结构在水平地震、竖向地震和三向地震等四种情况下的时程分析。
从分析结果中得出结构在发生7度罕遇地震时是安全的,而且需要考虑竖向地震对结构的影响。
关键词:
网壳,强震作用,时程分析,地震响应,自振特性
STATICANALYSISANDDYNAMICANALYSISUNDERSTRONGGROUNDMOTIONONADOUBLE-LAYERFLATELLIPSOIDRETICULATEDSHELL
ABSTRACT
MostofthebuildingscollapsedafterWenchuanearthquakethatmakestheseismicperformanceofbuildingsandareasfortificationintensitybecomeofgreatconcern.Aloudvoicetoimprovethefortificationintensityofthedefensivezone.However,itisunrealistictoimprovethedefensivezonefortificationintensity.Butthesecurityofsomeimportantbuildingundertheseismicovertheregionfortificationintensityistheveryissuetobeconsidered.
Reticulatedshellstructuresareoftenastheroofoftheimportantlarge-scaleconstruction.Complexforms,ahugenumberofnodesandbars,andthestudyinthestrongearthquakeisveryimportant.
Inordertoverifythesecurityofthereticulatedshellunderstrongearthquake,thisarticlemakestaticanalysisanddynamicanalysisunderstronggroundmotiononadouble-layerflatellipsoidreticulatedshellinShanxiChangziCounty.Themainresearchworkandachievementsinclude:
1.Solidmodelingofawholeshellin3D3S,analyzestaticmechanicalpropertiesofreticulatedshellsunder29kindsconditionscombination.Derivetheworstoperatingconditioncombinationsfortheshellstructureofthisreticulatedshell,anditscontrolworkingconditions.Alsofoundthatthemechanicalperformanceandregularityofthereticulatedshellbar.Andmakesomesuggestionsforsomesimilarstructure.
2.Analyzenaturalvibrationcharacteristicsofthemodelin3D3SandSAP2000,bycomparingthevibrationperiodandfrequency.VerifythecorrectnessoftheSAP2000analysis.Laythefoundationforthecorrectdurationanalysis.Alsoanalyzeandcomparethenaturalvibrationcharacteristicsofthestructurewithdifferentbearing.Getthenaturalvibrationcharacteristicsandvibrationlawofthisstructurefromtheanalysisresults.Summarizestheimpactofthebearingsonthevibrationcharacteristics.
3.Theseismicfortificationintensityoftheprojectareaforthe6degrees.UsingSAP2000simulatethetimehistoryanalysisofstructureunder7degreesrareearthquake.Predictsecurityofthestructure.Ontheneedwhethertoconsiderverticalseismicorseismiccouplingstructure,respectivelythetimehistoryanalysisofthestructureinthehorizontalseismic,verticalseismicearthquakeandthreedirectionsearthquake.Structureintheeventof7degreesrareearthquakeissafefromtheresultsoftheanalysis.Itisalsoneedtoconsidertheimpactofverticalseismic.
KEYWORDS:
reticulatedshell,StrongGroundMotion,durationanalysis,timehistoryanalysis,naturalvibrationcharacteristics
目录
摘要I
ABSTRACTIII
第一章绪论1
1.1引言1
1.2网壳结构的发展2
1.2.1网壳结构的发展史2
1.2.2网壳结构型式5
1.2.3网壳结构的发展趋势9
1.3网壳结构的计算方法10
1.3.1静力分析10
1.3.2稳定性分析11
1.3.3动力分析11
1.4本文研究的背景和主要内容12
第二章椭球网壳的静力分析15
2.1引言15
2.2工程概况15
2.3结构设计所用规范16
2.4设计参数16
2.4.1材料16
2.4.2杆件尺寸的选取17
2.4.3荷载与作用17
2.5计算模型18
2.6结构静力分析20
2.6.1荷载工况组合20
2.6.2结构位移分析21
2.6.3结构内力分析28
2.6.4强度应力比分析32
2.7本章小结34
第三章双层扁平椭球网壳的自振特性35
3.1引言35
3.2SAP2000模态分析原理35
3.2.1模态分析的定义35
3.2.2模态分析的基本理论36
3.3支座选用38
3.4网壳模态分析38
3.4.1SAP2000对网壳的模态分析38
3.4.23D3S对网壳的模态分析42
3.4.3结果对比43
3.5本章小结45
第四章双层扁平椭球网壳地震响应分析47
4.1引言47
4.2时程分析法简介48
4.3地震波的选取49
4.4结构在罕遇地震下的时程分析50
4.4.1在X向地震作用下网壳结构的响应50
4.4.2在Y向地震作用下网壳结构的响应56
4.4.3在Z向地震作用下网壳结构的响应61
4.4.4在三向地震作用下网壳结构的响应65
4.5分析结果及对比71
第五章结论与展望73
5.1本文主要结论73
5.2展望74
参考文献77
附录83
第一章绪论
1.1引言
如今,随着世界人口的持续增长和人们生活水平的不断提高,以及对集会、工作、学习等大空间、少支撑环境的要求,大型体育馆、飞机库、会展中心、大跨厂房等建筑需求增大。
但传统结构在跨度达到一定程度以后往往就不是一个合理的选择,所以对大跨结构的研究越来越多。
而空间结构的出现成为人类梦想的跳板。
空间结构的定义为:
结构的形态呈三维状态,在荷载作用下,具有三维受力特性并呈空间工作的结构[2]。
相对于平面结构,空间结构展现出来的丰富多彩的造型和优良的受力性能使其成为发展最快的结构类型。
例如椭球壳体的中国国家大剧院(如图1.1),跨度达到了212米,单层球面网壳的日本名古屋网壳穹顶(如图1.2),直径为182米。
而英国伦敦的“千年穹顶”,其直径已经达到320米。
日本巴组铁工更提出了建造跨度500米-1000米的穹顶空间,这种集工作、居住、娱乐、餐饮一体化的空间建筑已经成为人们又一个伟大的梦想。
因此,大跨空间结构已成为影响现代建筑发展的结构类型之一,并且大跨度建筑物及空间结构技术的发展状况成为衡量一个国家建筑科技水平的标志之一。
而从学术方面来说,大跨度空间结构已经成为建筑结构学科中最重要和最活跃的研究、发展领域之一。
图1.1国家大剧院
Figure1.1Nationalgrandtheatre
图1.2日本名古屋网壳穹顶
Figure1.2Reticulatedshelldomeofnagoya
大跨度空间钢结构有造型美观、丰富,自重轻、跨度大,传力明确受力合理,施工方便周期短,综合经济指标较好等优点。
其主要的结构形式有网架结构、网壳结构、空间杆弦结构、膜壳结构、张拉整体结构、索穹结构、开合屋盖结构、折叠结构等并且都得到了广泛的应用[3]。
在这些结构形式当中,空间网格结构是最为量大面广的。
其中包括平板网架结构、网壳结构,当网架结构起拱后形成网壳结构。
网壳结构的出现早于平板网架结构,在国外传统的肋环型穹顶已有一百多年的历史,而第一个平板网架是1940年在德国建造的(采用Mero体系)。
其空间工作,重量轻、刚度大、抗震性能好,施工安装简便,投资周期短是网架结构和网壳结构共同的特点。
由于网壳结构是由网架起拱而成,它兼有杆系结构和薄壳结构的主要特征。
那就是适用的跨度可以更大,受力比平板网架更为合理。
由于起拱形式的多样化,如:
柱面、球面、椭圆抛物面、双曲抛物面等,网壳结构的形式就更加灵活、富于变化,适用范围会更加广泛。
但与此同时其设计分析也面临着很多困难,特别是一些复杂的网壳,结构找形要结合建筑美观与建筑功能,受力合理但空间力系分析复杂,建筑造型迥异但在风和地震作用下结构的实际受力难以准确模拟等等。
此类结构的设计与分析都给工程技术人员带来了极大的困难与挑战[4-5]。
1.2网壳结构的发展
1.2.1网壳结构的发展史
网壳结构的发展经历了一个漫长的历史演变过程,人类很早就观察到在自然界中存在大量的受力性能好,形式简洁美观的天然空间结构,如蜂窝,鸟巢,蛋壳等。
经过长期的生活实践,人们很早就认识到穹顶能以最小的表面封闭最大的空间,而且所耗材料也比较少,所以利用仿生原理,很早就用树枝,稻草为蒙皮建造穹顶结构,如非洲土著居民居住的房屋(如图1.3),后来又用皮革或布匹建造,例如蒙古族人居住的蒙古包(如图1.4),帐篷等。
图1.3非洲土著巢图1.4蒙古包
Figure1.3AfricanindigenousnestFigure1.4Yurts
建筑材料的发展运用与穹顶结构的发展密切相关。
古代穹顶结构用石料,砖建造。
穹顶结构的发展要追溯到公元前14年,罗马人用砖,石,火山灰砌筑的罗马万神殿(如图1.5、图1.6)是一幢拱式结构,圆形结构,直径43.3m,净高43.5m,顶部厚度120cm,穹顶平均厚度370cm。
图1.5罗马万神殿俯视图1.6罗马万神殿正视
Figure1.5RomanPantheontopviewFigure1.6RomanPantheonfront
罗马人曾经在这段时间建造了大量的圆形或圆拱形的拱顶,主要被用来作为宗教活动的场所。
这些穹顶结构的跨度都不是很大,基本上在30-40m左右,穹顶厚度维持在1/10左右,其穹顶自重比较大。
而我国的穹顶结构代表建筑是明洪武14年即公元1381年建成的南京无梁殿,平面尺寸为38m×54m,净高22m。
如图1.7、图1.8
图1.7南京无梁殿图1.8南京无梁殿内部
Figure1.7NanjingbeamlesstempleFigure1.8InternalofNanjingbeamlesstemple
中世纪,穹顶结构的主要材料又增加了木材和竹子,例如北京天坛。
如图1.9、图1.10
图1.9北京天坛图1.10天坛内部
Figure1.9BeijingTempleofHeavenFigure1.10TempleofHeaveninternal
19世纪,铁在穹顶结构上的应用为穹顶结构的发展开创了一个新纪元,使建筑物覆盖面积越来越大。
近代,钢筋混凝土结构理论的出现使穹顶厚度大大减小,薄壳穹顶受到人们的重视。
1900年,土木工程史上第一座钢筋混凝土薄壳结构—耶拿天文馆在德国耶拿建成,其净跨度为25m,顶厚60.3m,厚跨比1/400左右。
随着钢筋混凝土的广泛应用和发展,其自重小,受力性能好,覆盖跨度大和造型优美等优点被人们所利用但同时大量的工程实践证明,其在施工过程中需要大量模板,工作量大,施工速度较慢,工程造价较高的缺点让人们开始对之失去兴趣,新的结构形式开始被人们所追求[6]。
在薄壳穹顶的基础上,穹顶结构的创始者—德国工程师施威德勒提出把穹顶壳面划分为经向肋和纬向的水平环,并连接在一起,同时再用斜杆把每个梯形网格分成两个或四个三角形,这种新的构造型式比起以往的穹顶,内力分布更加均匀,自重更轻,跨度进而更大。
这样的结构实际上就是网壳结构[6]。
1.2.2网壳结构型式
最初的网壳结构型式多为半球形,这是因为半球形网壳曲率相同,便于设计﹑制造和施工。
随着科技的进步和人们对美观、功能的要求,双曲扁网壳,圆柱面网壳,双曲抛物面网壳,折板型网壳相继出现。
按其层数分还有单层网壳和双层网壳。
纵观网壳结构的发展历史,其结构型式(如图1.11-1.14)可以分为以下几种[10-13]:
(1)肋环型和施威德勒型球面网壳。
肋环型网壳是在肋型穹顶基础上把环形檩条与经向肋组成一个刚性体系,其环向力主要由檩条承受,从而改善了结构内力分布,减轻了结构自重。
这种网壳通常在中,小跨度穹顶中运用。
施威德勒型网壳在肋环型网壳基础上,把每个梯形网格用斜杆再分成了更小的三角形,使结构内力沿网壳表面分布更加均匀,这样网壳的跨度更大。
这种网壳通常在大、中跨度穹顶中运用。
(2)联方型球面网壳。
这是一种由两向斜交杆构成的以菱形为基本单元的网壳结构。
有时为了增强结构的稳定性,通常加设由德国建筑师佐林格1906年发明的水平环向系杆,其尽可能的减少了每个节点上汇交的杆件数量,同时使各根杆件的尺寸在整个结构中尽量相同或相差不大。
联方型网壳主要用于金属网壳,它适用于柱面网壳和球面网壳,由于其良好的抵抗风载和地震荷载能力,在国内外大、中跨穹顶中得到广泛运用。
(3)凯威特型球面网壳(平行联方型网壳)。
这种网壳是由n(n=6,8,12,…)根经向肋把球面分成n个对称扇面,再用环杆和斜杆把扇面分成大小均匀的三角形网格,其综合了施威德勒型网壳、联方型网壳和三角形格子网壳的优点。
这种网壳网格大小、内力分布均匀,在强烈风荷载和地震荷载下受力性能良好,所以被广泛的运用到大跨结构中。
(4)短程线型球面网壳(地线穹顶网壳)。
在“自然界总是建造最经济的结构”想法的指引下,巴克明斯特•福勒发明了这种网壳结构。
“短程线”是地球测量术语,其意思就是连接球面上任意两点的最短距离。
福勒利用此原理发明了短程线型网壳。
大量的事实也证明,这种网壳杆件布置均匀,受力性能良好,适于在工厂中大量生产,造价经济。
其主要适用于矢高较大、超半球形网壳。
(5)应力表皮球面网壳。
这种网壳实际上借鉴了飞机机翼的设计原理,把它与建筑结构结合了起来。
这种结构充分利用结构表皮的强度,使网壳承重结构和表皮共同工作,这种网壳制作简单,施工方便,强度高,造价低,结构丰富。
(6)二向格子型球面网壳。
这是一种由位于两组子午线上的交叉杆件组成的网壳,其网格均近似正四方形,尺寸接近。
这种网壳所有杆件都是曲率相同的圆弧杆且都在大圆上。
例如建于1968年的墨西哥城体育馆就是这种网壳,其净跨134m,网格尺寸14m×14m。
(7)三向格子型球面网壳。
这是一种用三个方向的大圆在球面上构成网格从而形成了比较均匀的三角形网格的网壳。
其结构受力性能好,易于标准化,可在工厂大批生产和经济性能好的优点使它被人类在近十几年广泛的利用。
如日本的巴组铁工应用三向预制菱形穹顶建造的奥林匹克圆剧场,上海科技馆等。
(8)双曲抛物面网壳。
这种网壳是直纹曲面,杆件可以预制成直线形状,所以它的制作与安装都很方便。
其美观的造型和合理的受力性能使其得到了广泛的应用和发展。
(9)柱面网壳。
柱面网壳主要运用与建筑平面是正方形或矩形,特别是狭长平面的结构。
虽然其受力性能不如双曲壳,球壳等结构,但其杆件长度单一,便于工厂化生产,尤其适用于覆盖矩形平面的建筑的优点使其在工业与民用建筑中得到了广泛的应用。
(10)折板型网壳。
这种网壳是综合了钢筋混凝土折板、网格结构和壳体的优点而发展起来的一种新型壳体。
其基本结构单元是一个三角形平板网架,通过一组相同矢高的基本单元以不同的个数和相贯角度相交,可以形成多种形式。
其主要适用于多种多边形建筑平面。
(a)肋环型(b)肋环斜杆型
(a)Schwedler(b)Schwedlerwebmembers
(c)三向网格(d)扇形三向网格
(c)Three-waygrid(d)Fan-shapedthree-waygrid
(e)葵花形三向网格(f)短程线型
(e)Sunflowerformofthree-waygrid(f)Geodesic
图1.11单层球面网壳网格形式
Figure1.11Singlelayersphericalreticulatedshells
(a)单向斜杆正交正放网格(b)交叉斜杆正交正放网格
(a)One-waydiagonalOrthogonalgrid(b)ChiasmadiagonalOrthogonalgrid
(c)联方网格(d)三向网格
(c)Lamellagrid(d)Three-waygrid
图1.12单层圆柱面网壳网格形式
Figure1.12Single-layercylindricalgridstructures
(a)杆件沿直纹布置(b)杆件沿曲率方向布置
(a)Rodsalongstraightgrainlayout(b)Rodsalongcurvaturedirectionlayout
图1.13单层双曲抛物面网壳网格形式
Figure1.13Singlelayerhyperbolaparabolicplaneshell
(a)三向网格(b)单向斜杆正交正放网格
(a)Three-waygrid(b)One-waydiagonalOrthogonalgrid
(c)椭圆底面网格
(c)OvalFacegrid
图1.14单层椭圆抛物面网壳网格形式
Figure1.14SinglelayerOvalparabolicplaneshell
1.2.3网壳结构的发展趋势
网壳结构相对传统结构优势明显,在世界上很多国家都有应用。
日本,美国等国在网壳规模和技术方面处于领先地位。
我国网壳结构起步晚,1956年建成的天津体育馆屋盖是我国第一幢有影响的大跨度网壳,平面尺寸52m×68m,矢高8.7m,到目前为止我国网壳发展迅速并取得了丰硕的成果。
综合国内与国外对网壳结构的研究和发展趋势,我们可以预见起主要发展趋势[14]:
(1)合理的网桥结构形体。
随着社会的进步和科技的发展,当代对网壳结构的体型要求越来越丰富,样式越来越多样化催生出各种各样的网壳。
例如以仿生学原理诠释发展的网壳结构,设计和建造更多的非几何曲面网壳;运用若干种曲面组合成的新颖型体;用不同材料建造的网壳;索、拱、桁架和网壳构成的交叉结构等。
(2)跨度越来越大的网壳。
在很多著名的世界设计师眼中,现在世界上已建成的跨度最大的网壳结构其跨度还可以再大,而且球面网壳是覆盖跨度、空间最大的空间结构。
凯威特从理论上分析认为,他创造的平行联方型网壳的跨度可以达到427m。
1959年富勒曾提出建造一个直径达3.22km,的短线程球面网壳,覆盖纽约市的第23~59号街区。
由此可以预测到,跨度越来越大的网壳结构将出现。
(3)可以移动和可以启闭的网壳结构。
通常用作屋盖的网壳结构是固定不动的,但为了使体育比赛和生产不受气候影响,节约能源,降低建筑的造价,迎合人们越来越多需求,可以移动和可以启闭的体育馆、造船厂等网壳穹顶
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