摘要：本文利用非線性有限元理論，對帶有約束屈曲支撐的施威德勒橢球形網(wǎng)殼的減震性能進(jìn)行了初步研究,并通過有限元分析軟件ANSYS編程進(jìn)行參數(shù)化建模和具體實(shí)例分析；模型中結(jié)構(gòu)桿件選用Beam188單元，約束屈曲支撐采用Link8單元。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行在罕遇地震作用下的動力響應(yīng)分析，根據(jù)約束屈曲支撐的力學(xué)性能對其進(jìn)行4種方式的布置，并對4種布置方式的減震效果進(jìn)行對比分析，得出較為合理的支撐布置方式。
　　關(guān)鍵詞：施威德勒橢球形網(wǎng)殼；非線性有限元；約束屈曲支撐；減震分析
　　
　　1引言
　　施威德勒穹頂網(wǎng)格均勻，造型美觀，是一種常用的球面網(wǎng)殼形式，承載力較高，結(jié)構(gòu)的跨度較大[1]，而橢球型網(wǎng)殼更是一種新型網(wǎng)殼形式。橢球形網(wǎng)殼由于其自身造型和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，目前已有很多實(shí)際工程應(yīng)用，如上海科技館、溫嶺錦屏公園大門，還有雙層橢球網(wǎng)殼的國家大劇院，因此對于這類網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的減震方法研究和減震性能分析十分要。
　　約束屈曲支撐BRB（Buckling-RestrainBrace,BRB）[2~7]是一種消能減震支撐體系，當(dāng)輸入地震荷載時(shí)，屈曲約束支撐內(nèi)核受力構(gòu)件在拉力和壓力作用下可達(dá)到充分屈服，具有良好的延性。文中對落地單層橢球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)利用約束屈曲支撐（BRB）的減震方法做了初步研究，提出此種結(jié)構(gòu)的四種支撐布置方式。利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)分析，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和歸納總結(jié)，得出相對合理的約束屈曲支撐對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)減震效果較好。
　　2有限元分析模型
　　有限元分析采用ANSYS程序中Beam188梁單元，Beam188在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有6或7個(gè)自由度，分別是沿x，y，z的位移及繞其的轉(zhuǎn)角，而當(dāng)Keyopt(1)=1時(shí)，會添加第7個(gè)自由度（翹曲量）。本單元能很好的應(yīng)用于線性分析，大偏轉(zhuǎn)，大應(yīng)力的非線性分析。支撐桿件采用LINK8空間桿單元，材料的本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用VonMises屈服準(zhǔn)則，屋面重力荷載以質(zhì)量單元的形式集中在網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)上，質(zhì)量單元采用mass21單元。
　　以下選擇了長軸為80m,短軸60m，矢跨比為1/3的橢球形網(wǎng)殼，桿件長度通常控制在2～5m范圍內(nèi)。綜合考慮結(jié)構(gòu)受力特性，通過對網(wǎng)殼內(nèi)力的初步計(jì)算。網(wǎng)殼普通桿件采用鋼結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度等級為Q235，Ex=2.1E11N/m2，λ=0.3，密度=7850kg/m3；BRBs桿件：Ex=2.1E11N/m2，λ=0.3，密度=7850kg/m3，材料的屈服強(qiáng)度為100Mpa。
　　3結(jié)構(gòu)的減震分析
　　由于結(jié)構(gòu)的長跨和短跨方向剛度不同，施加的單向地震波對結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力和位移的影響也會不一致，所以對結(jié)構(gòu)分別施加X向和Y向單向水平地震波以及三向地震波，對其進(jìn)行8度區(qū)罕遇地震作用動力分析，其中X向?yàn)檠刂�結(jié)構(gòu)的長軸方向，Y向?yàn)檠刂�結(jié)構(gòu)的短軸方向。地震波采用EI-centro波，三向地震波3個(gè)方向加速度峰值按1:0.85:0.65[8]比值輸入，持時(shí)10s，時(shí)間間隔為0.02s。
　　3.1支撐布置方式
　　施威德勒網(wǎng)殼的主要受力桿件為肋桿和環(huán)桿，所以為保證結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性，在網(wǎng)殼中不宜替換肋桿和環(huán)桿，在本文中主要對結(jié)構(gòu)的斜桿進(jìn)行了等截面替換。根據(jù)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的受力性能和約束屈曲支撐在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的布置原則[9]，本文采取了以下四種布置方式如圖1所示（圖中粗線為約束屈曲支撐桿件）。
　　
　　a)布置方案1b)布置方案2
　　
　　c)布置方案3d)布置方案4
　　圖2網(wǎng)殼內(nèi)BRBs的布置圖
　　3.2節(jié)點(diǎn)位移分析
　　分別對結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平X向、水平Y(jié)向和三向地震波作用下的時(shí)程分析，可得出原始結(jié)構(gòu)和四種加支撐結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程，并對其對比分析。圖3分別為結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下節(jié)點(diǎn)位移值比較。
　　
　　（a）X向地震波作用下結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移值比較
　　
　　
　　
　　
　　（b）Y向地震波作用下結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移值比較
　　
　　（c）三向地震波作用下結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移值比較
　　圖2結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移值比較
　　由圖2可知，橢球形網(wǎng)殼在不同方向地震波作用下的節(jié)點(diǎn)最大位移有很大差別，而且在布置約束屈曲支撐后，所選節(jié)點(diǎn)的最大位移值大都比原始結(jié)構(gòu)的位移值有所下降。在X向地震波作用下下降幅度最大的是布置方案2，位移降低幅度達(dá)到34%，布置方案4相對于其他三種布置方案稍差一些，但還是使網(wǎng)殼的節(jié)點(diǎn)位移有所下降。而布置方式1是約束屈曲數(shù)目最多的，但是效果卻沒有布置方案2好，這是由于布置的約束屈曲數(shù)目過多導(dǎo)致網(wǎng)殼的剛度有所降低。在Y向地震波作用下，四種約束屈曲支撐的布置方案，對所選節(jié)點(diǎn)的最大位移值的控制都差不多。其中下降幅度相對較大的是布置方案1和方案2，方案2的位移最大降幅達(dá)到22%，布置方案3相對于其他三種布置方案稍差一些，但還是使網(wǎng)殼的節(jié)點(diǎn)位移有所下降。在三向地震波作用下，布置方案1對降低節(jié)點(diǎn)最大位移值的效果是最理想的，最大降幅可達(dá)到42%，其它三種布置方案對結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移也都有不同程的降低，其中布置方案4相對于其他三種布置方案略稍差一些。
　　4結(jié)論
　　1、對單層橢球形網(wǎng)殼進(jìn)行動力分析時(shí)，水平和豎向地震作用均不能忽略，且盡可能選取多個(gè)結(jié)構(gòu)振型進(jìn)行分析，同時(shí)考慮橢球形網(wǎng)殼短向跨度對于整個(gè)結(jié)構(gòu)頻率的影響。
　　2、四種支撐布置方案對單層橢球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移和桿件應(yīng)力都起到了明顯的減震效應(yīng)。
　　3、四種屈曲約束支撐的布置方案在水平地震波和三向地震波作用下的減震效果并不一致，在水平地震作用下減震效果較好的布置方案在三向地震波作用下未必是最好的。
　　4、支撐的布置數(shù)量和對的結(jié)構(gòu)減震效果并不成正比，合理的布置約束屈曲支撐，其對結(jié)構(gòu)的減震效果才能充分發(fā)揮。
　　
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