宋曉峰，劉亞歡

（天津市頤和城市建筑設(shè)計(jì)有限公司，天津 300191）

某碼頭進(jìn)港大門網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的譜響應(yīng)分析

宋曉峰，劉亞歡

（天津市頤和城市建筑設(shè)計(jì)有限公司，天津 300191）

文章以某碼頭進(jìn)港大門網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，建立空間計(jì)算模型，并應(yīng)用通用結(jié)構(gòu)有限元分析程序進(jìn)行該網(wǎng)架的自振特性及譜響應(yīng)分析。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的自振以整體振型為主；結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)沿平面對(duì)稱；結(jié)構(gòu)在地震作用沿Y軸方向輸入時(shí)的響應(yīng)最大；網(wǎng)架的支座處及網(wǎng)架邊緣處最薄弱。

網(wǎng)架；有限元分析；譜響應(yīng)分析

1 工程概況及計(jì)算模型

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，單純使用功能的進(jìn)出港收費(fèi)站大門已經(jīng)不能滿足人們對(duì)審美的要求。于是，帶有景觀功能的收費(fèi)站大門便應(yīng)運(yùn)而生。這些收費(fèi)站大門大都造型新穎、奇特，它們的安全性能，尤其是在特殊情況（如，地震）下的安全性能成為一個(gè)重要問(wèn)題。文章采用通用結(jié)構(gòu)有限元程序研究某碼頭進(jìn)港大門網(wǎng)架結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）的動(dòng)力特性和響應(yīng)，為該工程提供計(jì)算依據(jù)。

圖1 收費(fèi)站大門正立面、側(cè)立面圖

該大門結(jié)構(gòu)設(shè)防烈度為7度（0.15 g），Ⅲ類場(chǎng)地。頂部的網(wǎng)架采用雙層四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，下部為10根由4根300×300×10×15工字型鋼組成的格構(gòu)式柱。該結(jié)構(gòu)計(jì)算跨度15 m，總高度10.35 m。材料選用Q235熱軋無(wú)縫鋼管。網(wǎng)架采用φ48×3.5和φ76×4.0熱軋無(wú)縫鋼管。在有限元計(jì)算中，所有桿件均采用桿單元，彈性模量E=2.06e11 N／m2。結(jié)構(gòu)在10個(gè)柱腳處采用固定支承。模型中網(wǎng)架部分共有7 488個(gè)單元，1 935個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)有限元模型計(jì)算簡(jiǎn)圖

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 結(jié)構(gòu)自振特性分析

文章采用分塊Lanczos法對(duì)該結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中，考慮前20階振型。前10階振型的頻率見(jiàn)表1，前4階振型圖見(jiàn)圖3。

表1 結(jié)構(gòu)前10階振型特征

圖3 結(jié)構(gòu)前4階振型圖

由表1和圖3可知，該結(jié)構(gòu)振型以整體振型為主，第1振型為扭轉(zhuǎn)，第2、3振型為平動(dòng)，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)的剛度分布不均勻，網(wǎng)架部分剛度較大。同時(shí)可以看出，結(jié)構(gòu)剛度較大，變位較小。

2.2 反應(yīng)譜分析

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011——2001）（2008年版）規(guī)定，7度（0.15 g）地區(qū)多遇地震下的水平地震影響系數(shù)最大值為0.12，Ⅲ類場(chǎng)地第一組的特征周期值為0.45 s，結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.02。模態(tài)采用平方和求平方根法（SRSS法），取前20階振型進(jìn)行組合。地震作用輸入方向分別考慮X、Y、Z，3個(gè)坐標(biāo)軸方向分別輸入3種情況。

圖4 沿X方向輸入位移圖(3 000倍)

圖5 沿X方向輸入軸力圖（網(wǎng)架部分）

圖6 沿X方向輸入鋼柱彎矩圖（ⅰ ⅱ ⅲ）

2.2.1 沿X軸方向輸入地震作用

大門網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在地震作用沿X軸方向輸入時(shí)的位移響應(yīng)以X軸方向?yàn)橹鳎ㄒ?jiàn)圖4）。其中X軸方向最大位移發(fā)生在網(wǎng)架上弦右邊緣中部的1 837節(jié)點(diǎn)，其值為0.91 mm，是結(jié)構(gòu)跨度的1／16 484。

由結(jié)構(gòu)的軸應(yīng)力與彎矩圖（圖5、圖6）可知，結(jié)構(gòu)網(wǎng)架部分的內(nèi)力響應(yīng)以軸力為主，最大軸力發(fā)生網(wǎng)架支座處的單元3 822處，其值為1.31 kN。結(jié)構(gòu)格構(gòu)式柱部分的內(nèi)力響應(yīng)以彎矩為主，其中，繞X軸最大彎矩為0.134 kN·m；繞Y軸最大彎矩為2.402 kN·m；繞Z軸最大彎矩為0.021 kN·m。

2.2.2 沿Y軸方向輸入地震作用

圖7 沿Y方向輸入位移圖（3 000倍）

圖8 沿Y方向輸入軸應(yīng)圖（網(wǎng)架部分）

圖9 沿Y方向輸入鋼柱彎矩圖（ⅰ ⅱ ⅲ）

大門網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在地震作用沿Y軸方向輸入時(shí)的位移響應(yīng)以Y軸方向?yàn)橹鳎ㄒ?jiàn)圖7）。其中Y軸方向最大位移發(fā)生在網(wǎng)架上弦左邊緣角部的1897節(jié)點(diǎn)，其值為1.16 mm，是結(jié)構(gòu)跨度的1／12 931。

由結(jié)構(gòu)的軸應(yīng)力與彎矩圖（見(jiàn)圖8、圖9）可知，結(jié)構(gòu)網(wǎng)架部分的內(nèi)力響應(yīng)以軸力為主，最大軸力發(fā)生網(wǎng)架支座處的單元372處，其值為1.29 kN。結(jié)構(gòu)格構(gòu)式柱部分的內(nèi)力響應(yīng)以彎矩為主，其中，繞X軸最大彎矩為1.951 kN·m；繞Y軸最大彎矩為0.243 kN·m；繞Z軸最大彎矩為0.031 kN·m。

2.2.3 沿Z軸方向輸入地震作用

圖10 沿Z方向輸入位移圖

圖11 沿Z方向輸入軸應(yīng)圖（網(wǎng)架部分）

大門網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在地震作用沿Z軸方向輸入時(shí)的位移響應(yīng)以Z軸方向?yàn)橹鳎ㄒ?jiàn)圖10）。其中，Z軸方向最大位移發(fā)生在網(wǎng)架上弦右邊緣角部的1 935節(jié)點(diǎn)，其值為0.32 mm，是結(jié)構(gòu)跨度的1／46 875。

由結(jié)構(gòu)的軸應(yīng)力與彎矩圖（圖11、圖12）可知，結(jié)構(gòu)網(wǎng)架部分的內(nèi)力響應(yīng)以軸力為主，最大軸力發(fā)生網(wǎng)架支座處的單元4 180處，其值為0.572 kN。結(jié)構(gòu)格構(gòu)式柱部分的內(nèi)力響應(yīng)以彎矩為主，其中，繞X軸最大彎矩為0.150kN·m；繞Y軸最大彎矩為0.143kN·m；繞Z軸最大彎矩為0.026 kN·m。

圖12 沿Z方向輸入彎矩圖（ⅰ ⅱ ⅲ）

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)該進(jìn)港大門網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析，可得如下結(jié)論：

（1）計(jì)算結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的自振以整體振型為主。

（2）通過(guò)對(duì)3種輸入方式所得的結(jié)果的比較可知，地震作用沿Y軸方向輸入時(shí)，該結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移響應(yīng)最大，沿Z軸方向輸入的情況下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)最小。

（3）該結(jié)構(gòu)在3種地震作用輸入方式下的位移及內(nèi)力響應(yīng)，基本都是呈現(xiàn)出沿中心平面對(duì)稱的情況。

（4）該結(jié)構(gòu)網(wǎng)架部分的最薄弱截面出現(xiàn)在網(wǎng)架支座處和網(wǎng)架邊緣處。

（5）該結(jié)構(gòu)網(wǎng)架部分的內(nèi)力響應(yīng)以軸力為主，格構(gòu)式柱部分的內(nèi)力響應(yīng)以彎矩為主。

[1] GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.

[2] GB 50011-2001，（2008年版）建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范.

[3] JGJ 7-91，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程.

[4] 陳宇文，王衛(wèi)琴.大跨度鋼管砼拱橋空間地震響應(yīng)分析廣州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（6）.

[5] 郭彥林，霍鐵力.CCTV新臺(tái)址主樓抗震性能研究.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2008（6）.

The Spectral Response Analysis of the Network Structure for a Pier Gate into the Port

Song Xiaofeng，Liu Yahuan

The article takes the network structure of a pier gate into the port as the research object to build a spatial calculation model,and uses the general structure of finite element analysis program for natural vibration characteristics and spectral response analysis of the grid.The result shows that the natural vibration of the structure is mainly about the overall vibration modes;the seismic response of structure is symmetry along the plane;when inputting along the Y axis,the seismic structure gets the maximum response;the bearing and the edge of grid are the most weak.

grid;finite element analysis;spectral response analysis

TU356

A

1000-8136(2011)08-0004-03