单层椭球形落地网壳减震体系性能分析

　　摘要：本文利用非线性有限元理论，对带有约束屈曲支撑的施威德勒椭球形网壳的减震性能进行了初步研究,并通过有限元分析软件ANSYS编程进行参数化建模和具体实例分析；模型中结构杆件选用Beam188单元，约束屈曲支撑采用Link8单元。对结构进行在罕遇地震作用下的动力响应分析，根据约束屈曲支撑的力学性能对其进行4种方式的布置，并对4种布置方式的减震效果进行对比分析，得出较为合理的支撑布置方式。
　　关键词：施威德勒椭球形网壳；非线性有限元；约束屈曲支撑；减震分析
　　
　　1引言
　　施威德勒穹顶网格均匀，造型美观，是一种常用的球面网壳形式，承载力较高，结构的跨度较大[1]，而椭球型网壳更是一种新型网壳形式。椭球形网壳由于其自身造型和结构的特点，目前已有很多实际工程应用，如上海科技馆、温岭锦屏公园大门，还有双层椭球网壳的国家大剧院，因此对于这类网壳结构的减震方法研究和减震性能分析十分要。
　　约束屈曲支撑BRB（Buckling-RestrainBrace,BRB）[2~7]是一种消能减震支撑体系，当输入地震荷载时，屈曲约束支撑内核受力构件在拉力和压力作用下可达到充分屈服，具有良好的延性。文中对落地单层椭球形网壳结构利用约束屈曲支撑（BRB）的减震方法做了初步研究，提出此种结构的四种支撑布置方式。利用ANSYS有限元软件进行具体的结构分析，并对计算结果进行统计和归纳总结，得出相对合理的约束屈曲支撑对网壳结构减震效果较好。
　　2有限元分析模型
　　有限元分析采用ANSYS程序中Beam188梁单元，Beam188在每个节点上有6或7个自由度，分别是沿x，y，z的位移及绕其的转角，而当Keyopt(1)=1时，会添加第7个自由度（翘曲量）。本单元能很好的应用于线性分析，大偏转，大应力的非线性分析。支撑杆件采用LINK8空间杆单元，材料的本构关系采用理想弹塑性模型，屈服准则采用VonMises屈服准则，屋面重力荷载以质量单元的形式集中在网壳节点上，质量单元采用mass21单元。
　　以下选择了长轴为80m,短轴60m，矢跨比为1/3的椭球形网壳，杆件长度通常控制在2～5m范围内。综合考虑结构受力特性，通过对网壳内力的初步计算。网壳普通杆件采用钢结构，强度等级为Q235，Ex=2.1E11N/m2，λ=0.3，密度=7850kg/m3；BRBs杆件：Ex=2.1E11N/m2，λ=0.3，密度=7850kg/m3，材料的屈服强度为100Mpa。
　　3结构的减震分析
　　由于结构的长跨和短跨方向刚度不同，施加的单向地震波对结构杆件内力和位移的影响也会不一致，所以对结构分别施加X向和Y向单向水平地震波以及三向地震波，对其进行8度区罕遇地震作用动力分析，其中X向为沿着结构的长轴方向，Y向为沿着结构的短轴方向。地震波采用EI-centro波，三向地震波3个方向加速度峰值按1:0.85:0.65[8]比值输入，持时10s，时间间隔为0.02s。
　　3.1支撑布置方式
　　施威德勒网壳的主要受力杆件为肋杆和环杆，所以为保证结构的刚度、强度和稳定性，在网壳中不宜替换肋杆和环杆，在本文中主要对结构的斜杆进行了等截面替换。根据网壳结构的受力性能和约束屈曲支撑在网壳结构中的布置原则[9]，本文采取了以下四种布置方式如图1所示（图中粗线为约束屈曲支撑杆件）。
　　
　　a)布置方案1b)布置方案2
　　
　　c)布置方案3d)布置方案4
　　图2网壳内BRBs的布置图
　　3.2节点位移分析
　　分别对结构进行水平X向、水平Y向和三向地震波作用下的时程分析，可得出原始结构和四种加支撑结构的节点位移时程，并对其对比分析。图3分别为结构在不同地震波作用下节点位移值比较。
　　
　　（a）X向地震波作用下结构节点位移值比较
　　
　　
　　
　　
　　（b）Y向地震波作用下结构节点位移值比较
　　
　　（c）三向地震波作用下结构节点位移值比较
　　图2结构节点位移值比较
　　由图2可知，椭球形网壳在不同方向地震波作用下的节点最大位移有很大差别，而且在布置约束屈曲支撑后，所选节点的最大位移值大都比原始结构的位移值有所下降。在X向地震波作用下下降幅度最大的是布置方案2，位移降低幅度达到34%，布置方案4相对于其他三种布置方案稍差一些，但还是使网壳的节点位移有所下降。而布置方式1是约束屈曲数目最多的，但是效果却没有布置方案2好，这是由于布置的约束屈曲数目过多导致网壳的刚度有所降低。在Y向地震波作用下，四种约束屈曲支撑的布置方案，对所选节点的最大位移值的控制都差不多。其中下降幅度相对较大的是布置方案1和方案2，方案2的位移最大降幅达到22%，布置方案3相对于其他三种布置方案稍差一些，但还是使网壳的节点位移有所下降。在三向地震波作用下，布置方案1对降低节点最大位移值的效果是最理想的，最大降幅可达到42%，其它三种布置方案对结构节点位移也都有不同程的降低，其中布置方案4相对于其他三种布置方案略稍差一些。
　　4结论
　　1、对单层椭球形网壳进行动力分析时，水平和竖向地震作用均不能忽略，且尽可能选取多个结构振型进行分析，同时考虑椭球形网壳短向跨度对于整个结构频率的影响。
　　2、四种支撑布置方案对单层椭球形网壳结构的节点位移和杆件应力都起到了明显的减震效应。
　　3、四种屈曲约束支撑的布置方案在水平地震波和三向地震波作用下的减震效果并不一致，在水平地震作用下减震效果较好的布置方案在三向地震波作用下未必是最好的。
　　4、支撑的布置数量和对的结构减震效果并不成正比，合理的布置约束屈曲支撑，其对结构的减震效果才能充分发挥。
　　
　　参考文献
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