王 麗, 郭小農(nóng), 朱劭駿, 羅曉群
(同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院,上海 200092)
鋁合金單層網(wǎng)殼受力合理、造型美觀、施工方便,是常見(jiàn)的空間結(jié)構(gòu)形式之一。目前我國(guó)已建成上海馬戲城、上??萍拣^、辰山植物園、中國(guó)五項(xiàng)賽事游泳擊劍館等[1-2]多座鋁合金單層網(wǎng)殼。
板式節(jié)點(diǎn)是鋁合金單層網(wǎng)殼最為常見(jiàn)的節(jié)點(diǎn)型式,國(guó)內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了深入研究。2014年,郭小農(nóng)等[3-9]進(jìn)行了鋁合金板式節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究,總結(jié)了板式節(jié)點(diǎn)變形機(jī)理,提出了節(jié)點(diǎn)彎曲剛度的四折線模型。2015年,Xu等[10]研究了鋁合金板式節(jié)點(diǎn)平面外受彎的滯回性能,指出其滯回曲線穩(wěn)定但是不夠飽滿。2017年,Liu等[11]研究了節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)鋁合金板式節(jié)點(diǎn)網(wǎng)殼靜力穩(wěn)定性能的影響,指出鋁合金板式節(jié)點(diǎn)的半剛性會(huì)降低網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定承載力。
然而,以上研究均針對(duì)于板式節(jié)點(diǎn)網(wǎng)殼的靜力特性,對(duì)于板式節(jié)點(diǎn)網(wǎng)殼的動(dòng)力特性的研究還有所不足。郭小農(nóng)等[12]采用錘擊法測(cè)得某鋁合金板式節(jié)點(diǎn)網(wǎng)殼的阻尼比,并建議取值為3.3%;此外,鮮有文獻(xiàn)對(duì)鋁合金板式節(jié)點(diǎn)網(wǎng)殼的動(dòng)力特性進(jìn)行研究。
針對(duì)上述研究不足,本文建立了鋁合金板式節(jié)點(diǎn)網(wǎng)殼的數(shù)值分析模型,研究了矢跨比、跨度、屋面荷載、跨厚比、網(wǎng)格密度、約束條件等參數(shù)對(duì)單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的影響,并提出了鋁合金板式節(jié)點(diǎn)單層球面網(wǎng)殼自振基頻的估算公式。
本節(jié)首先分析不考慮節(jié)點(diǎn)剛度影響時(shí)單層球面網(wǎng)殼的自振特性。采用ANSYS建立數(shù)值分析模型,約束條件為周邊三向固定鉸支;桿件選用Beam188單元模擬;將屋面均布質(zhì)量簡(jiǎn)化為節(jié)點(diǎn)處的集中質(zhì)量;鋁合金材料牌號(hào)為6061-T6,名義屈服應(yīng)力為240 MPa,彈性模量為70 GPa;忽略屋面板對(duì)整體結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn);K6型網(wǎng)殼分析模型如圖1所示。
為了研究各種參數(shù)對(duì)網(wǎng)殼自振特性的影響,本文共建立了34 200個(gè)球面網(wǎng)殼數(shù)值模型。各模型的具體參數(shù)如表1所示。表中桿件均采用擠壓H鋁型材,其截面規(guī)格為:① H250×150×6×12 mm;② H300×150×8×12 mm;③ H350×175×10×14 mm;④ H400×200×12×14 mm;⑤ H500×200×12×16 mm。表1中網(wǎng)格尺寸指網(wǎng)殼各環(huán)主肋桿件長(zhǎng)度。
表1 參數(shù)分析方案Tab.1 Parameter analysis scheme
(1) 矢跨比對(duì)網(wǎng)殼基頻的影響
圖2給出了某典型K6型網(wǎng)殼前30階自振頻率,圖中標(biāo)出了該網(wǎng)殼的具體參數(shù)。圖3列出了矢跨比為1/3的K6型網(wǎng)殼前3階振型,圖4給出了矢跨比為1/7的K6型網(wǎng)殼前3階振型。從圖3可以看出,矢跨比為1/3時(shí),前3階振型均為水平方向變形較大的反對(duì)稱(chēng)振型。從圖4可以看出,當(dāng)矢跨比為1/7時(shí),第1階振型和第2階振型均為豎向變形較大的反對(duì)稱(chēng)振型,第3階振型為豎向變形為主的對(duì)稱(chēng)振型。
圖2 不同矢跨比網(wǎng)殼的頻率分布Fig.2 Frequency of different rise-span ratio shells
圖3 矢跨比1/3的網(wǎng)殼前3階振型圖Fig.3 Vibration modes of shells with rise-span ratio 1/3
圖4 矢跨比1/7的網(wǎng)殼前3階振型圖Fig.4 Vibration modes of shells with rise-span ratio 1/7
圖5給出了K6型網(wǎng)殼基頻隨矢跨比的變化曲線,從圖5可以看出,網(wǎng)殼基頻先隨著矢跨比增大而增大,然后隨著矢跨比增大而減小。在一定范圍內(nèi)存在一個(gè)使得基頻最大的最佳矢跨比,最佳矢跨比約為1/4。顯然,結(jié)構(gòu)的基頻取決于其剛度分布和質(zhì)量分布。當(dāng)矢跨比較大時(shí)(1/2~1/4),第1振型的水平方向變形較大;而隨著矢跨比的減小,結(jié)構(gòu)水平剛度有所增加,因此基頻有所加大。當(dāng)矢跨比較小時(shí)(1/5~1/16),第1振型的豎向變形較大;而隨著矢跨比的減小,結(jié)構(gòu)豎向剛度有所減小,因此,基頻有所減小。
圖5 基頻隨矢跨比變化趨勢(shì)圖Fig.5 Fundamental frequency vs rise-span ratio
(2)跨度對(duì)網(wǎng)殼基頻的影響
圖6給出了各種矢跨比下網(wǎng)殼基頻隨跨度的變化情況。從圖6可以看到,隨著跨度的增加,網(wǎng)殼基頻隨之減小,并漸漸趨于平緩。這說(shuō)明跨度的增加使得網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)總體剛度減小,且逐漸趨于平緩??缍鹊脑黾硬⒉桓淖兊?階振型主方向,也即跨度的增加會(huì)使得球面網(wǎng)殼在豎向和水平向兩個(gè)方向的結(jié)構(gòu)剛度都減小。
(a)K6
(b)K8圖6 基頻隨跨度變化趨勢(shì)圖Fig.6 Fundamental frequency vs span
(3)屋面荷載對(duì)網(wǎng)殼基頻的影響
在實(shí)際工程中,網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的屋面荷載主要通過(guò)檁條傳到節(jié)點(diǎn)上,所以可按照靜力等效原則將節(jié)點(diǎn)所轄區(qū)域內(nèi)的荷載,等效為集中質(zhì)量加在節(jié)點(diǎn)上。圖7給出了跨度L=60 m,各種矢跨比的網(wǎng)殼基頻隨屋面荷載的變化情況。從圖7中可以看到,網(wǎng)殼的各階頻率都隨著屋面荷載的增大而減小,這是因?yàn)樵龃蠛奢d相當(dāng)于增大質(zhì)量,而結(jié)構(gòu)剛度沒(méi)有發(fā)生較大變化,故而屋面質(zhì)量越大,網(wǎng)殼自振頻率越小。
(4)跨厚比對(duì)網(wǎng)殼基頻的影響
桿件截面同樣會(huì)影響網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的整體剛度,從而影響網(wǎng)殼自振頻率。本文采用無(wú)量綱參數(shù)β來(lái)表示跨厚比,設(shè)球面網(wǎng)殼沿著大圓的弧長(zhǎng)為s,桿件截面繞強(qiáng)軸的回轉(zhuǎn)半徑為ix,則無(wú)量綱化的跨厚比為β=s/ix;根據(jù)工程實(shí)際情況,β的值通常在200~800。
圖8給出了跨度L=60 m,矢跨比為1/3,豎向永久荷載為1.2 kN/m2的網(wǎng)殼基頻隨跨厚比的變化情況。
(a)K6
(b)K8圖7 基頻隨屋面荷載變化趨勢(shì)圖Fig.7 Fundamental frequency vs roof load
從圖8中可以看到,網(wǎng)殼的各階頻率都是隨著跨厚比的增大而減小,這是因?yàn)榭绾癖仍酱螅瑮U件相對(duì)截面越小,減小桿件截面相當(dāng)于減小剛度矩陣,而結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣沒(méi)有發(fā)生較大變化,故而殼面外整體振動(dòng)時(shí),屋面剛度越小,網(wǎng)殼自振頻率越小。
圖8 基頻隨跨厚比變化趨勢(shì)圖Fig.8 Fundamental frequency vs span-thickness ratio
(5)網(wǎng)格密度對(duì)網(wǎng)殼基頻的影響
網(wǎng)格密度同樣會(huì)影響網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的整體剛度,從而影響網(wǎng)殼自振頻率。網(wǎng)格密度可采用無(wú)量綱參數(shù)λ來(lái)表達(dá):設(shè)球面網(wǎng)殼主肋的桿件長(zhǎng)度為l;桿件截面繞強(qiáng)軸的回轉(zhuǎn)半徑為ix;則無(wú)量綱化的網(wǎng)格密度為λ=l/ix。λ越大,則代表網(wǎng)格密度越稀疏,反之則代表網(wǎng)格密度越密集。
圖9給出了跨度L=60 m,矢跨比為1/3,豎向荷載為1.2 kN/m2,桿件截面為②類(lèi)的網(wǎng)殼基頻隨λ的變化情況。從圖9可以看到,網(wǎng)殼的各階頻率都是隨著λ的增大而減小,這是因?yàn)樵龃螃讼喈?dāng)于增大網(wǎng)格尺寸,從而減小網(wǎng)殼剛度,因此網(wǎng)殼自振頻率越小。
圖9 基頻隨桿件長(zhǎng)細(xì)比變化趨勢(shì)圖Fig.9 Fundamental frequency vs slenderness ratio
(6)邊界支承條件對(duì)網(wǎng)殼基頻的影響
為了研究邊界條件對(duì)K6和K8型鋁合金板式節(jié)點(diǎn)網(wǎng)殼自振特性的影響,對(duì)周邊節(jié)點(diǎn)鉸接和周邊節(jié)點(diǎn)固接網(wǎng)殼進(jìn)行分析。選取跨度L=60 m,豎向永久荷載為1.2 kN/m2,桿件截面為②類(lèi),周邊節(jié)點(diǎn)鉸接和周邊節(jié)點(diǎn)固接網(wǎng)殼,分別對(duì)其進(jìn)行自振特性分析。不同支承條件下球面網(wǎng)殼基頻的變化情況如圖10??傮w看來(lái),兩類(lèi)網(wǎng)殼的基頻基本一致,表明兩種支承條件的差異并沒(méi)有起到主要控制作用,兩者差異不大。
《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[13]和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[14]對(duì)單層球面網(wǎng)殼自振頻率還沒(méi)有相應(yīng)規(guī)定。基于此,本節(jié)以凱威特K6和K8型單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)為例,分析單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)自振特性隨網(wǎng)殼跨度、矢跨比、屋面荷載、跨厚比、網(wǎng)格密度等的變化規(guī)律,總結(jié)出設(shè)計(jì)中實(shí)用的估算公式,從而極大地簡(jiǎn)化網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)基頻的求解方法。
(a)K6
(b)K8圖10 基頻隨邊界條件變化趨勢(shì)圖Fig.10 Fundamental frequency vs boundary conditions
根據(jù)連續(xù)化殼體自振頻率特性[15],本文提出鋁合金板式節(jié)點(diǎn)網(wǎng)殼自振頻率公式估算公式,如式(1)所示
(1)
式中:f1為第1階自振頻率;L為球面網(wǎng)殼跨度;M為屋面等效均布質(zhì)量(包括屋面荷載與網(wǎng)殼自重);λ為網(wǎng)格密度無(wú)量綱化參數(shù);β為跨厚比無(wú)量綱化參數(shù);E為鋁合金的彈性模量,MPa;a,b,c,d,k均為待擬合參數(shù)。
在前文參數(shù)分析的基礎(chǔ)上,共計(jì)算了34 200個(gè)無(wú)缺陷剛接節(jié)點(diǎn)網(wǎng)殼算例,并在此基礎(chǔ)上擬合式(1)中的系數(shù)。K6型和K8型網(wǎng)殼基頻待定系數(shù)擬合結(jié)果分別如表2和表3所示。
表2 K6型網(wǎng)殼基頻待定系數(shù)擬合表Tab.2 Values offundamental frequency coefficients of K6 shells
從表2和表3可以看到,待定系數(shù)a,b,c的離散性非常小,且K6和K8型網(wǎng)殼的各均值也相當(dāng)接近,故統(tǒng)一取表2和表3中的均值,結(jié)果見(jiàn)表2或表3。而k和d隨矢跨比的變化較大,可采用三次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合如下:
對(duì)于K6型網(wǎng)殼
(2)
表3 K8型網(wǎng)殼基頻待定系數(shù)擬合表Tab.3 Values of fundamental frequency coefficients of K8 shells
(3)
對(duì)于K8型網(wǎng)殼
(4)
(5)
圖11給出了單層球面網(wǎng)殼基頻估算公式與有限元計(jì)算結(jié)果的誤差分布,橫坐標(biāo)表示誤差δ百分比的區(qū)間,縱軸表示該處在誤差區(qū)間內(nèi)的網(wǎng)殼數(shù)量n占總數(shù)量N的百分比。從圖11中可以看出,批量計(jì)算的34 200個(gè)網(wǎng)殼基頻估算的誤差均不超過(guò)10%,絕大多數(shù)網(wǎng)殼基頻誤差均在5%以?xún)?nèi),說(shuō)明本文提出的估算公式能夠較高精度地估算K6型和K8型網(wǎng)殼的基頻。
(a)K6
(b)K8圖11 誤差分布圖Fig.11 Error distribution
工程設(shè)計(jì)中,可初步選定合適的矢跨比,根據(jù)式(2)~式(5)算出對(duì)應(yīng)的系數(shù)k,d,在表2或者表3中取對(duì)應(yīng)的系數(shù)均值a,b,c,最后根據(jù)式(1)估算出網(wǎng)殼的第1階自振頻率。
節(jié)點(diǎn)剛度通常會(huì)對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的自振頻率產(chǎn)生較大影響。郭小農(nóng)等對(duì)鋁合金板式節(jié)點(diǎn)的剛度進(jìn)行了較為深入的研究,提出了鋁合金板式節(jié)點(diǎn)的四折線模型如圖12所示。從圖12可以看出,鋁合金板式節(jié)點(diǎn)的剛度模型分為嵌固階段、螺栓滑移階段、孔壁承壓階段、失效階段等4個(gè)階段。由于板式節(jié)點(diǎn)的圓盤(pán)蓋板的尺寸較大,在螺栓滑移之前,節(jié)點(diǎn)域的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)剛度大于桿件截面抗彎剛度,節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出一定的超剛性特性。
圖12 節(jié)點(diǎn)彎曲剛度四折線模型Fig.12 Four-line model of bending stiffness of joint
在小震作用下,節(jié)點(diǎn)域的螺栓通常不會(huì)出現(xiàn)滑移,節(jié)點(diǎn)剛度大于桿件截面抗彎剛度,因此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)頻率會(huì)有所加大,從而地震響應(yīng)也會(huì)有所放大。因此,有必要考慮節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)網(wǎng)殼自振頻率的影響。本文擬采用基頻放大系數(shù)η來(lái)考慮小震下節(jié)點(diǎn)超剛性的影響。
實(shí)際工程中,鋁合金板式節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)板厚度通常等于桿件翼緣厚度,而節(jié)點(diǎn)板半徑根據(jù)桿件截面尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì),圖13給出了根據(jù)桿件截面①~截面⑤按等強(qiáng)原則設(shè)計(jì)出的典型節(jié)點(diǎn)。表4列出了這些節(jié)點(diǎn)的幾何參數(shù)及其初始剛度值,其中初始剛度根據(jù)郭小農(nóng)等的公式計(jì)算得到。
建立考慮節(jié)點(diǎn)剛度影響的網(wǎng)殼數(shù)值模型,模型由剛性節(jié)點(diǎn)域、非線性剛度彈簧和桿件組成。節(jié)點(diǎn)域采用Beam 188單元模擬,其彈性模量設(shè)置為無(wú)窮大;彈簧采用了ANSYS中的Combin 39單元模擬;桿件部分采用Beam 188單元模擬。
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)圖13 典型節(jié)點(diǎn)Fig.13 Typical joints
表4 典型節(jié)點(diǎn)相關(guān)參數(shù)Tab.4 Parameters of typical joints
對(duì)前文的34 200個(gè)網(wǎng)殼進(jìn)行了分析,得到了其自振頻率。顯然,影響基頻放大系數(shù)η的最重要參數(shù)是桿件節(jié)間長(zhǎng)度l和節(jié)點(diǎn)板半徑R之比。圖14給出了34 200個(gè)網(wǎng)殼的基頻放大系數(shù)η隨l/R的變化情況,圖中橫軸為l/R,縱軸為基頻放大系數(shù)η。實(shí)際工程中,通常并非所有桿件的長(zhǎng)度都一樣,由于網(wǎng)殼剛度貢獻(xiàn)最大的桿件是主肋,因此圖14中的l/R是指主肋的節(jié)間長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)板半徑。
圖14 基頻放大系數(shù)η分布Fig.14 Distribution of amplification coefficient η
從圖14可以看出,基頻放大系數(shù)分布在一定寬度的帶狀范圍內(nèi),取值1.02~1.14,且隨著l/R的增大而減小。由于在計(jì)算地震響應(yīng)時(shí),結(jié)構(gòu)頻率越大,地震響應(yīng)越大。因此可以偏安全的取圖14中的數(shù)據(jù)點(diǎn)上限進(jìn)行擬合,得到公式為
η=1.011+0.652/(l/R)+5.610/(l/R)2
(6)
式中:l為指主肋的節(jié)間長(zhǎng)度;R為主肋桿件的節(jié)點(diǎn)板半徑。
為驗(yàn)證本文公式的正確性,郭小農(nóng)等采用錘擊法對(duì)某鋁合金網(wǎng)殼的自振頻率進(jìn)行了實(shí)測(cè)。圖15給出了測(cè)試用鋁合金網(wǎng)殼。圖16給出了該網(wǎng)殼的節(jié)點(diǎn)詳圖。根據(jù)郭小農(nóng)等的研究可知,該網(wǎng)殼的實(shí)測(cè)基頻為17 Hz,數(shù)值驗(yàn)證模型的基頻為16.375 Hz。下面通過(guò)該網(wǎng)殼對(duì)本文的擬合公式進(jìn)行驗(yàn)證。
圖15 測(cè)試用鋁合金網(wǎng)殼Fig.15 The aluminum alloy latticed shell used for the test
圖16 測(cè)試用網(wǎng)殼的節(jié)點(diǎn)詳圖Fig.16 Aluminum alloy gusset joints
根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)可得已知條件為:
網(wǎng)殼型式 K6
網(wǎng)殼跨度L=8 m
網(wǎng)殼矢高f=0.5 m
網(wǎng)殼矢跨比f(wàn)/L=1/16
網(wǎng)殼等效均布質(zhì)量(含自重)M=41.2 kg/m2
網(wǎng)殼桿件截面 H100×50×4×5 mm
網(wǎng)殼桿件彈性模量E=65 364 MPa
網(wǎng)殼主肋弧長(zhǎng)s=8 080 mm
網(wǎng)殼主肋桿件節(jié)間長(zhǎng)度l=808 mm
網(wǎng)殼主肋的節(jié)點(diǎn)板半徑R=100 mm
桿件截面回轉(zhuǎn)半徑ix=39.94 mm
不考慮節(jié)點(diǎn)剛度影響的基頻計(jì)算:
網(wǎng)格密度無(wú)量綱參數(shù)λ=l/ix=20.23
跨厚比無(wú)量綱參數(shù)β=s/ix=202.3
根據(jù)式(2)可得計(jì)算參數(shù)k6k6=19 342
根據(jù)式(3)可得計(jì)算參數(shù)d6d6=-0.378
根據(jù)表2可查得計(jì)算參數(shù)a6a6=-0.738
根據(jù)表2可查得計(jì)算參數(shù)b6b6=-0.512
根據(jù)表2可查得計(jì)算參數(shù)c6c6=-0.502
將以上各參數(shù)代入式(1)可得f1=17.78 Hz
考慮節(jié)點(diǎn)剛度影響的基頻計(jì)算:
網(wǎng)殼主肋桿件的l/Rl/R=8.0
根據(jù)式(6)可得頻率放大系數(shù)η=1.18>1.14,取1.14
考慮節(jié)點(diǎn)剛度影響的網(wǎng)殼基頻f1=17.78×1.14=20.27 Hz
從上述計(jì)算過(guò)程可知:該網(wǎng)殼模型的實(shí)測(cè)基頻為17 Hz,數(shù)值模型基頻為16.375 Hz。當(dāng)不考慮節(jié)點(diǎn)剛度影響時(shí),根據(jù)本文擬合公式計(jì)算得到的基頻為17.78 Hz,和實(shí)測(cè)值相差4.5%,具有較高精度。當(dāng)考慮節(jié)點(diǎn)剛度影響時(shí),根據(jù)本文公式計(jì)算得到的基頻為20.27 Hz,比實(shí)測(cè)值大19.2%。分析認(rèn)為可能有如下原因:①擬合式(6)時(shí)采用了上限值,當(dāng)l/R=8.0時(shí),根據(jù)式(6)計(jì)算得影響系數(shù)η=1.14,然而根據(jù)試驗(yàn)網(wǎng)殼的考慮節(jié)點(diǎn)剛度的數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果,影響系數(shù)η=1.05;②受到測(cè)量手段與測(cè)量?jī)x器精度的限制;③試驗(yàn)網(wǎng)殼為人工安裝,螺栓預(yù)緊力不足。
本文通過(guò)對(duì)凱威特K6型和K8型單層球面網(wǎng)殼的大規(guī)模的參數(shù)分析,得出了以下結(jié)論:
(1)跨度、屋面荷載、跨厚比、網(wǎng)格密度是影響單層球面網(wǎng)殼基頻的主要因素。矢跨比是影響單層球面網(wǎng)殼基頻的關(guān)鍵因素,矢跨比較大的網(wǎng)殼低階振型以水平方向居多,矢跨比較小的網(wǎng)殼以豎向振型居多,在一定范圍內(nèi)存在一個(gè)使得基頻最大的矢跨比。
(2)不考慮節(jié)點(diǎn)剛度影響時(shí),鋁合金板式節(jié)點(diǎn)網(wǎng)殼的基頻可采用式(1)進(jìn)行估算。通過(guò)和數(shù)值分析結(jié)果以及試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明,擬合式(1)具有較高的精度。
(3)當(dāng)考慮板式節(jié)點(diǎn)剛度影響時(shí),網(wǎng)殼的基頻會(huì)有所提高,其提高系數(shù)可采用偏于安全的式(6)進(jìn)行估算。