对开合屋盖结构碰撞响应减振的分析

高利军

(张家口市第一建筑工程有限公司，河北张家口075000)

1 引言

对于现代的空间结构来说，跨度越来越大，节点越来越多，振型和频率也更加密集.尤其是体育馆的开合屋盖体系在发生碰撞的时候，响应的过程和动力特性较为复杂.

对研究专注于结构所受到的荷载尤其是开合过程中的碰撞荷载.本文应用LS－DYNA这种通用显式动力分析程序，建立有限元模型，模拟开合屋盖之间的碰撞，较为全面的分析了发生碰撞的过程中如何通过减振来进行控制.

2 计算实例及分析

2.1 模型的建立

模型采用模拟开合屋盖结构，模型的纵向长度是80m，长跨比是0.42，高厚比是0.03.屋盖的结构形式采用目前我国常见的正放四角锥的网格结构，螺栓球节点连接，受力形式是下弦受力，材料采用钢管桁架.钢管所用钢材为通用的Q235钢材的弹性模量是N/mm2，密度是7900kg/m3.由于螺栓球节点会对结构受力产生一定影响，考虑这个因素，人为的将钢材的分布密度扩大为原来的1.1倍.整个结构的假设为四边固定铰支座的边界条件.空间网格结构的设计采用TWCAD3.0软件，开合屋盖结构碰撞过程采用LS－DYNA软件进行模拟.

2.2 阻尼杆布置位置方案选取

开合屋盖结构的碰撞响应是对其制定控制方案的基础.研究发现布置粘弹性阻尼杆件的重点是在网格结构发生较大位移的地方布置粘弹性阻尼构件，通过这种方式目的是减小开合屋盖体系在发生较大振动的时候受到的内力和位移.由此可见，必须先分析开合屋盖体系在受到不同荷载作用情况下和未受到人为控制时结构关键点发生位移的相互比较，这样才能发现开合屋盖结构中布置粘弹性阻尼构件正确的位置.

要想分析开合屋盖体系在不同荷载作用下发生碰撞时，构件节点出现位移的分布情况，必须在网格的上弦节点(1－96号)和下弦节点(97－173号)选择具有代表性的杆件，通过软件分析，得到在网格体系中未施加粘弹性阻尼构件发生碰撞时，结构上下弦节点的最大位移，如图1所示.

通过对图1的分析，得到构件上下弦节点的位移可以按照水平坐标进行分类，和开合屋盖体系前进方向相同的节点的位移区别很小，但是不同列的节点位移区别很大.这些特性，对于在体系中布置阻尼杆件非常有帮助，也就是说，可以把阻尼构件布置在不同列的节点间.

现在国际比较流行的做法是在整个体系中布置外加的粘弹性阻尼构件.本文的研究是在2个构件节点间布置三种外加的粘弹性阻尼构件.第一种是每隔一列，把阻尼布设在构件的上弦节点;第二种是每隔一列，把阻尼布设在构件上弦和下弦节点连线的对角线上;第三种是每隔一列，把阻尼布设在构件下弦节点连线的对角线上.构件上的阻尼所用的参数是参考文献［1］选取K=6χ105kN/m，C=1χ105kN·s/m.

上弦，下弦节点位移比较如图所示:

由以上各图，非常明显的得出，如果构件的阻尼数量是一样的，每隔一列，把阻尼布设在构件上弦和下弦节点连线的对角线上，是对减小各个构件节点相对位移效果最好的，主要原因是因为采用第二种方式布置，构件的阻尼其两端之间的相对位移是最大的.

2.3 阻尼杆布置数量方案选取

由上面的研究结果，假设采用第二种方案设为最佳方案.为了保证在这种情况下的阻尼构件都设置在了整个体系的关键部位，没有多余的浪费，必须再选择其他方案来进行比较.最终可以得出，整个体系的中间部分节点和发生碰撞时的位置比较接近的节点位移最大，这样，在实际应用当中可以将原始方案中设置在体系两侧的阻尼构件减掉一半，只留一半构件的方案称为方案1;将原始方案中设置在体系发生碰撞位置的构件减掉一半，这种方案称为方案2;原始方案称为方案3.

阻尼数量不同时，各杆件内力比较如图所示:

2.4 结论

由以上全跨度布置阻尼杆与边跨未布置阻尼杆及全跨度布置阻尼杆与前半部分布置阻尼杆各杆件内力比较图可以得出以下几点结论:

1)对于控制整个体系中各个构件发生碰撞时的内力，以上的几种方案效果都较好，但是方案1、2所用的阻尼杆件只有一半，所以在节省成本方面，方案1、2比较合理.

2)方案3在上弦杆件中(50－100号)，即和碰撞方向垂直构件的内力达到了最大值，原因是附加的阻尼构件数量较多，导致整个体系的刚度增大.所以在内力的控制上方案1、2也比较合理.

3)从1、2两点考虑，在开合屋盖结构中为了控制了各杆件在碰撞作用下的内力，粘弹性阻尼杆布置的位置及数量都有一定的规律.可动屋盖中左右两侧的位置以及远离碰撞接触面位置的杆件碰撞响应较小，在实际的工程应用中，这两个位置的阻尼构件数量可以减少或者不设.因为根据2点中的结论，阻尼构件数量过多，会导致整个体系的刚度增大，增加构件发生碰撞时候的内力.

3 结束语

本文根据工程实例建立的模型进行计算分析，通过粘弹性阻尼器在结构中布置的不同位置以及不同数量下的节点位移、杆件内力比较，得出了效果显著且经济的阻尼杆件布置方案并总结了规律，对开合屋盖结构碰撞响应减振进行了研究，为工程实践提供参考.

［1］秦乃兵.刚性开合屋盖结构动力相互作用及减震研究.北京工业大学博士学位论文，2006

［2］管军，顾大强，段福斌.移动屋盖开合机械的设计方法.机械设计与研究，2004，5

［3］董石麟，沈祖炎，严慧.新型空间结构论文集.浙江大学出版社，1997