[摘 要] 近年来随着点支式玻璃帷幕结构的广泛应用,各种新型的支承结构孕育而生,但对于结构性能的研究往往滞后于实际工程,开展新型结构的研究显得尤为重要。某重屋盖柔性支承结构点支式玻璃走廊即为将刚性梁和柔性索(包括揽风索、悬索和立面的竖索)相结合的一种新型结构形式,本文通过对该工程实例的分析计算,得出了结构的自振特性,并采用振型反应谱分析法研究了某些索内预应力的变化对结构变形和其它索内力的影响,计算结构表明,拿掉揽风索会导致屋盖平面外刚度减小,结构第二振型改变也较大。揽风索预应力的变化对结构自振特性、自身及悬索内力的影响并不显著,但对结构刚度和竖索内力的影响相对较大。而竖索预应力变化对其它索内力、结构高频自振性能及最大位移影响较大。本文结果可以为今后类似结构的研究提供参考。
[关键词] 重屋盖;点支式;柔性支承;自振特性;内力
1 概述
随着社会经济的飞速发展、生活水平的逐渐提高,点式玻璃帷幕结构墙在我国得到越来越广泛的应用,它具有通透性好、艺术感强、环保节能和施工灵活等优点[1~3],已成为大型公共建筑重要的组成部分。而近年来,随着点支式玻璃建筑的逐步推广,涌现了各种新型柔性支承结构,如单层索网体系,以及它与其它刚性杆、梁结构的复杂体系,而理论分析往往滞后于工程实践,点支式玻璃建筑柔性支承结构在地震作用下的动力响应和动力特性是尚未解决的技术难题[4~5],因为不能将传统的刚性结构地震作用计算方法直接用于索网结构,只能根据其具体结构具体分析。本文结合将刚性梁和柔性索(包括揽风索、悬索和立面的竖索)协同工作的重屋盖柔性支承点式玻璃建筑的工程实例,分析结构的动力特性,并采用振型分解反应谱法研究了地震作用下揽风索和竖索预应力的变化对结构变形和其它索内力的影响。
2 工程概述
图1为联系两座高层办公楼的某重屋盖柔性支承点支式玻璃走廊结构,其结构平、立面布置如图2所示。整个玻璃走廊是由两幢楼之间的四根悬索所支承,结构纵向长63m,横向长13·4m。悬索与楼相连处距地面9·5m,结构中间最低处距地面约6·0m。在悬索上布置钢梁,钢梁间距2·0m,在钢梁上安装玻璃屋面。钢梁两端挂拉索,并在拉索上安装玻璃幕墙,拉索在承受玻璃幕墙重量的同时也抵抗水平风荷载。在屋顶平面上设置了两根揽风索用来控制屋面水平位移,并提供整个屋盖在平面外的刚度。钢梁边缘采用钢管相连,防止钢梁的平面外失稳。入口处有一雨篷,在大门处有一钢框架,此处拉索拉于钢框架上。拉索与地面及钢框架连接处设置弹簧支座。
3 支承结构索杆体系的设计结构所受荷载主要为结构自重、屋面活载及积水荷载、风载、温度荷载(±40℃),以及地震作用。现行荷载规范GB50009-2001规定北京基本风压为wo50=0·45kN/m2(50年一遇),根据风洞实验提供的体形系数来计算风载,场地C类。本工程主要采用了大型有限元分析计算软件
ANSYS按空间整体模型对结构进行分析和计算,并依据现行结构设计规范[6~8]进行了承载能力和正常使用状态的验算。其有限元模型如图3所示,其中拉索采用link10单元,该单元为三维只拉单元,能描述拉索只能承受拉力的特性。拉索下连的弹簧采用COMBIN14单元,其它构件,如悬索上钢梁、大门处钢框架梁柱,及钢管采用eam4单元模拟,为3维弹性梁单元。正常使用阶段的位移控制,即,悬索竖向位移不得超过跨度的1/300,拉索水平位移不得超过拉索长度的1/46,屋顶水平位移不超过跨度的1/200(这里位移以钢结构和玻璃安装完成后的平衡位置为基准)。经过反复调试计算选用索的主要指标如表1所示。
4 地震作用下支承结构的反应谱分析
如上所述,揽风索的主要作用为增强重屋盖在风载和地震作用下平面外的刚度和稳定性,而竖索在承受玻璃幕墙重量的同时也抵抗水平风荷载和地震作用,它们对结构性能有重要的影响。因此,本文采用ANSYS研究这两种索中预应力变化对结构在地震作用下性能的影响程度,采用了振型反应谱分析方法,输入谱为加速度谱,谱的选取参照《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)5·1·5条的规定,加速
度取最大地震影响系数乘上重力加速度。本工程按照8度多遇地震,第一组Ⅰ类场地(特征周期Tg=0·25s)进行计算,只需考虑水平地震作用(地震影响系数最大值αmax=0·16)。
4·1 地震作用下揽风索对结构性能的影响
(1)有无揽风索时结构自振性能的对比图4为原结构与去掉揽风索后结构的自振周期的变化情况。从图中可以看出,去掉揽风索后,结构的前两个自振周期明显增大,特别是第一个周期增为原结构的约2倍,但第三个周期以后两者的周期非常接近。
此外,从图5两者的振型比较可见,揽风索对第一振型影响不大,基本都表现为弯曲型。而第二振型差别较大,原结构表现为两端局部索的反对称变形,而生变形,只是前者变形的索个数少于后者。以上分析表明去掉揽风索后屋盖结构平面外刚度削弱较大。
(2)揽风索预应力对结构性能的影响图6为揽风索预应力变化时,结构自振周期的变化情况。横坐标表示无量纲的预应力的变化倍数,即揽风索预应力值改变后与其原值之比。从图中可以看出,当揽风索预应力增大时,结构的每阶自振周期呈线性减小趋势,这表明结构的刚度随揽风索预应力的减小而增大,但这种线性变化也表明自振特性对揽风索预应力的变化不敏感。图7为揽风索预应力大小对其它索中最大内力的影响情况,图中表明,悬索最大内力先增加后又局部减小,呈“S”型上升的趋势,而揽风索的内力则基本不变,说明它的预应力的变化对其自身及悬索的影响并不显著。随着揽风索预应力的增大,竖索最大内力一开始先减小后增大,当揽风索预应力增至10~11倍左右时,拉索内力开始迅速增加,这说明,当揽风索预应力增加至10倍以上后,它对竖索内力的影响较大。图8所示为揽风索预应力大小对结构y向最大位移的影响(y方向如图2中所示,计算结果表明结当竖索内力变化时,悬索中最大内力先迅速增大,在竖索预应力增至1·5~2·5倍之间达到峰值后又迅速减小,然后缓慢增加保持增长幅度在20~25%左右,而揽风索的内力在竖索预应力为1~2之间时先减小,而后迅速增加,在横坐标为2时达到峰值,然后呈阶梯状快速减小的趋势。竖索内力的大小基本不变,基本呈缓慢减小的趋势。
(1)去掉揽风索后,结构的前两个自振周期明显增大,特别是第一周期。但揽风索对第一振型影响不大,基本都表现弯曲型。而第二振型原结构表现为两端局部索的反对称变形,而无揽风索时结构整体表现为剪切型反对称变形,第三振两者较相似,表明去掉揽风索后屋盖平面外刚度削弱了。
(2)当揽风索预应力增大时,结构的每阶自振周期呈线性减小趋势,这表明结构的刚度随揽风索预应力的减小而增大,另方面这种线性变化关系也表明结构自振特性对揽风索预应力的变化不敏感。
(3)当揽风索预应力增大时,悬索最大内力先增加后又局部减小,呈“S”型上升的趋势,而揽风索中内力则基本不变,说明它的预应力的变化对其自身及悬索的影响并不显著。竖索最大内力一开始先减小后增大,特别是揽风索预应力增加至10倍以上后,竖索内力迅速增大。
(4)结构的最大位移随着揽风索的预应力变化基本呈双曲线形式减小,这表明结构刚度对揽风索预应力的变化较为敏感。
(5)改变竖索的预应力时,结构的第一、二振型和拿掉揽风索后结构的相应振型比较相似,而第三振型则和原结构的相应振型相似。同时竖索的预应力与第一周期基本呈线性关系减小,但其与第二、三周期则表现出明显的非线性关系,这表明高频振型自振性能受竖索预应力的影响更大。
(6)当竖索预应力变化时,悬索和揽风索的最大内力的变化呈波动形式变化,都出现峰值点然后减小,而竖索内力则基本不变。竖索预应力与结构最大位移关系也呈双曲线变化的关系,表明竖索预应力对结构的内力、位移的影响较显著。
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[6] GB50009-2001,《建筑结构荷载规范》[S].
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[8] GBJ17-88,《钢结构设计规范》[S]
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