大跨度钢结构厂房三维有限元动力分析

周晓信

(湖南省水利水电勘测设计研究总院,湖南长沙410007)

1 概 述

随着我国经济和技术的不断发展,钢结构厂房在我国建筑行业中应用的越来越多。钢结构厂房具有质量轻、强度高、施工工期短、防火性、耐腐蚀性强等优点。钢结构厂房中大跨度空间结构越来越多,体型也日趋复杂。我国属于地震多发地区,合理有效地进行抗震分析就成了大型钢结构厂房设计中必须考虑的问题,也是减轻地震灾害的重要手段。作为抗震设计的重要环节之一,结构抗震验算就成了确定所设计结构是否满足最低抗震设防的关键性步骤。

钢结构厂房抗震研究的方法有动力计算、动力模型试验和原型观测。在现场进行原型观测,无疑是认识结构的动力性态最直接最可靠的方法,而且这也是验证理论分析、模型试验方法和成果的重要依据,但由于地震振动的随机性以及观测点的广泛性,普遍实现比较困难,因而对结构抗震性能的研究多以动力计算和动力模型试验为主。现在钢结构厂房抗震动力计算方法主要包括三种:传统的拟静力学法、动力反应谱分析法和动力时程分析法[1]。时程分析法是对结构物的运动微分方程直接进行逐步积分求解的一种动力分析方法。由时程分析可得到各质点随时间变化的位移、速度和加速度动力反应,进而可计算出构件内力和变形的时程变化。由于此法是对运动方程直接求解,又称直接动力分析法[2]。近年来随着计算机硬件设备及大型计算软件的飞速发展,越来越多的研究者采用三维有限元技术对大型厂房进行动力时程分析[3-4]。

本文研究的钢结构厂房为某水电站升船机厂房,其具有高柔、高支、大跨、重荷的特点,静力、动力力学行为非常复杂。一方面,在地震作用下,有可能由于“鞭梢效应”使上部结构的响应被放大若干倍,形成所谓的“常遇激励、罕遇响应”的状况,对结构受力非常不利。另一方面,对于如此规模的大跨度、重载复杂钢结构,绝大多数节点均处于空间复杂受力状态,加之由制造和安装带来的附加应力,会加剧结构的受力状态。本文的主要目的就是以钢结构厂房的实际情况为研究背景,借助当前先进的计算技术及大型有限元分析软件ANSYS,分析在地震情况下钢结构厂房的力学特性及其力学响应[5],为指导厂房的安全运行和工程管理提供科学依据。

2 钢结构厂房三维有限元模型

钢结构厂房主要由三部分组成:①格构柱;②吊车梁肩梁平台;③厂房屋面桁架结构。其空间结构形态较为复杂,因此建立厂房三维空间有限元模型主要采用三维杆、梁以及板单元进行模拟;各种连接杆件、支撑杆件也均采用杆单元模拟,从而可以大大简化建模的工作量以及三维有限元计算量。模型中主要节点的集中质量按建筑抗震设计规范中关于“各质点的重力荷载代表值的计算”的规定施加,厂房中各杆、梁、柱的尺寸及位置完全按照真实的情况来加以实现[6]。

为了能够真实地模拟厂房金属结构的应力—应变情况,建立了钢结构厂房的三维有限元模型[7]。模型坐标系规定:沿厂房纵轴线方向为X轴正方向,垂直纵轴线方向向左为Y轴正方向,沿高程向上方向为Z轴正方向。厂房结构共离散为26 246个杆单元和11 733个壳单元。

钢结构厂房三维有限元模型及坐标系如图1所示,上部桁架单榀三维有限元模型如图2,肩粱三维有限元模型如图3所示,厂房下柱模型如图4所示。

图1 钢构厂房三维有限元模型示意图

图2 上部桁架单榀三维有限元模型示意图

图3 肩梁三维有限元模型示意图

图4 格构柱下柱三维有限元模型示意图

计算中采用的材料物理力学参数如表1所示。

表1 各种材料物理力学参数(静态)

作用于结构的荷载主要有:①自重;②设备荷载,包括各种机电设备的荷载:主机房桥机荷载320 t;吊车最大荷载为455 t;③地震荷载,考虑7度地震情况。

3 钢结构厂房地震时程动力分析

为了精确的模拟地震过程,本文采用钢结构厂房所在地历史上实测得到的地震波(1988年11月澜沧耿马地震实测得到的地震波)进行瞬态时程动力分析,钢结构厂房所在场地的地震基本烈度为7度,抗震设计烈度按50 a超越概率10%的地震基本烈度,其场地水平加速度峰值为0.1 g。地震波如图5所示,地震计算时间取13 s,地震波峰值为0.1 g,计算时在两个水平向同时输入地震波。

图5 地震波加速度时程曲线

计算模型及主要静动荷载处理

(1)地震动力荷载以水平向加速度历程曲线在X向及Y向两个水平方向输入,每0.02 s为一个载荷步。

(2)时程动力计算中质量阻尼取5%,刚度阻尼取1%。

(3)时程动力计算结果和静力计算结果进行叠加,作为最后的计算成果。时程动力计算时以静力正常运行工况(考虑自重和设备重)的计算结果为初始应力场,然后以0.02 s的间隔分650个地震荷载步输入13 s时长的地震荷载,地震波直接在钢结构厂房底部输入。

图6为屋顶桁架上弦杆中点(详见图2中A点)X向位移时程曲线、图7为屋顶桁架上弦杆中点(详见图2中A点)Y向位移时程曲线。由计算结果可知:X向位移极值表现为从格构柱下柱至厂房屋顶桁架顶部逐步增大,极值位移从13.3 mm增至53.7 mm,且从吊车肩梁平台顶部开始位移增幅开始剧增。Y向位移分布规律与X向类似,但位移量值要大得多。总体上Y向位移较其他两个方向的位移大,X、Y方向的极值位移均发生在屋顶桁架中部,最大X向位移为52.8 mm,最大Y向位移为94.3 mm。

图6 屋顶桁架上弦杆中点X向位移时程曲线

图8为屋顶桁架上弦杆中点加速度时程曲线、图9为吊车肩梁顶点加速度时程曲线。图10为钢结构厂房极值加速度随高程变化的关系曲线,其反应了地震波的输入整个过程的厂房各部位加速度响应。在整个地震过程中X向及Y向加速度均表现为从厂房底部到顶部逐步增大,随着高程增加,结构的刚度逐步减小,两个方向的加速度随着高程增加被不同程度的放大,“鞭稍效应”非常明显。其中X方向的加速度被放大4.5倍,Y方向的加速度被放大7.5倍。

图7 屋顶桁架上弦杆中点Y向位移曲线

图8 屋顶桁架上弦杆中点Y向加速度时程曲线

图9 肩梁顶点Y向加速度时程曲线

图10 极值时程加速度与高程关系曲线

图11为厂房下柱柱角点(详见图4中E点)轴向应力时程曲线。由图可知厂房下柱主管以受压为主,轴向极值压应力-16MPa～-76MPa之间,由于吊车荷载作用,内侧管所受力较外侧管大。图12为格构柱主管中间点(图4中D点)轴向应力时程曲线、图13为屋顶桁架下弦杆中点轴向应力时程曲线。屋顶桁架最大轴向压应力发生在桁架中部上弦杆为-72MPa;最大拉应力发生在下弦杆中部为66 MPa,从桁架中部至左右两端应力水平逐步减小。应力值均满足规范要求[8]。

图11 厂房下柱柱角点轴向应力时程曲线

图12 格构柱主管中点轴向应力时程曲线

4 结 语

(1)本文采用时程分析法对一水电站升船机钢结构厂房进行了三维有限元分析,得到了在实测地震波作用下的厂房的瞬时地震响应,此方法具有理论简单,计算精度高等特点。

(2)在整个地震过程中,钢结构厂房的X向及Y向加速度均表现为从底部到顶部逐步增大,从钢构厂房底部计算,随着高程增加,结构的相对刚度逐步减小,两个方向的加速度随着高程增加被不同程度的放大,“鞭稍效应”非常明显。虽然在 X方向、Y方向上加速度放大倍数较高,但由于塔楼整体刚度较大,加之地震烈度(7度)较低,产生的位移量仍在相关规范许可的范围内。经过对厂房的抗震计算分析,各部位的应力均小于钢材的强度要求,所以钢构厂房可以满足在地震条件下的安全运行计算要求。

图13 屋顶桁架下弦杆中点轴向应力时程曲线

[1] 沈聚敏.抗震工程学[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.

[2] 李兵,李宏男,等.RC框架一剪力墙结构的弹塑性时程分析[J].沈阳建筑大学学报,2006,22(3):394-396.

[3] 曹勇,李丹丹.考虑支承刚度对大跨空间网格结构的动力影响[J].水利与建筑工程学报,2007,5(3):58-61.

[4] 丁剑平,蹇开林,林顺洪.大型复杂钢结构厂房的抗震性能的有限元分析[J].重庆大学学报(自然科学版),2006,29(1):105-109.

[5] 王勖成,邵 敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].北京:清华大学出版社,2002.

[6] 中华人民共和国建设部.GB5011-2001.建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2001.

[7] 王呼佳.ANSYS工程分析进阶实例[M].北京:水利水电出版社,2009.

[8] 中华人民共和国国家标准.GB 50017—2003.钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003.