高利軍

(張家口市第一建筑工程有限公司，河北張家口075000)

1 引言

對于現(xiàn)代的空間結(jié)構(gòu)來說，跨度越來越大，節(jié)點越來越多，振型和頻率也更加密集.尤其是體育館的開合屋蓋體系在發(fā)生碰撞的時候，響應(yīng)的過程和動力特性較為復(fù)雜.

對研究專注于結(jié)構(gòu)所受到的荷載尤其是開合過程中的碰撞荷載.本文應(yīng)用LS－DYNA這種通用顯式動力分析程序，建立有限元模型，模擬開合屋蓋之間的碰撞，較為全面的分析了發(fā)生碰撞的過程中如何通過減振來進(jìn)行控制.

2 計算實例及分析

2.1 模型的建立

模型采用模擬開合屋蓋結(jié)構(gòu)，模型的縱向長度是80m，長跨比是0.42，高厚比是0.03.屋蓋的結(jié)構(gòu)形式采用目前我國常見的正放四角錐的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，螺栓球節(jié)點連接，受力形式是下弦受力，材料采用鋼管桁架.鋼管所用鋼材為通用的Q235鋼材的彈性模量是N/mm2，密度是7900kg/m3.由于螺栓球節(jié)點會對結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生一定影響，考慮這個因素，人為的將鋼材的分布密度擴(kuò)大為原來的1.1倍.整個結(jié)構(gòu)的假設(shè)為四邊固定鉸支座的邊界條件.空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的設(shè)計采用TWCAD3.0軟件，開合屋蓋結(jié)構(gòu)碰撞過程采用LS－DYNA軟件進(jìn)行模擬.

2.2 阻尼桿布置位置方案選取

開合屋蓋結(jié)構(gòu)的碰撞響應(yīng)是對其制定控制方案的基礎(chǔ).研究發(fā)現(xiàn)布置粘彈性阻尼桿件的重點是在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)發(fā)生較大位移的地方布置粘彈性阻尼構(gòu)件，通過這種方式目的是減小開合屋蓋體系在發(fā)生較大振動的時候受到的內(nèi)力和位移.由此可見，必須先分析開合屋蓋體系在受到不同荷載作用情況下和未受到人為控制時結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點發(fā)生位移的相互比較，這樣才能發(fā)現(xiàn)開合屋蓋結(jié)構(gòu)中布置粘彈性阻尼構(gòu)件正確的位置.

要想分析開合屋蓋體系在不同荷載作用下發(fā)生碰撞時，構(gòu)件節(jié)點出現(xiàn)位移的分布情況，必須在網(wǎng)格的上弦節(jié)點(1－96號)和下弦節(jié)點(97－173號)選擇具有代表性的桿件，通過軟件分析，得到在網(wǎng)格體系中未施加粘彈性阻尼構(gòu)件發(fā)生碰撞時，結(jié)構(gòu)上下弦節(jié)點的最大位移，如圖1所示.

通過對圖1的分析，得到構(gòu)件上下弦節(jié)點的位移可以按照水平坐標(biāo)進(jìn)行分類，和開合屋蓋體系前進(jìn)方向相同的節(jié)點的位移區(qū)別很小，但是不同列的節(jié)點位移區(qū)別很大.這些特性，對于在體系中布置阻尼桿件非常有幫助，也就是說，可以把阻尼構(gòu)件布置在不同列的節(jié)點間.

現(xiàn)在國際比較流行的做法是在整個體系中布置外加的粘彈性阻尼構(gòu)件.本文的研究是在2個構(gòu)件節(jié)點間布置三種外加的粘彈性阻尼構(gòu)件.第一種是每隔一列，把阻尼布設(shè)在構(gòu)件的上弦節(jié)點;第二種是每隔一列，把阻尼布設(shè)在構(gòu)件上弦和下弦節(jié)點連線的對角線上;第三種是每隔一列，把阻尼布設(shè)在構(gòu)件下弦節(jié)點連線的對角線上.構(gòu)件上的阻尼所用的參數(shù)是參考文獻(xiàn)［1］選取K=6χ105kN/m，C=1χ105kN·s/m.

上弦，下弦節(jié)點位移比較如圖所示:

由以上各圖，非常明顯的得出，如果構(gòu)件的阻尼數(shù)量是一樣的，每隔一列，把阻尼布設(shè)在構(gòu)件上弦和下弦節(jié)點連線的對角線上，是對減小各個構(gòu)件節(jié)點相對位移效果最好的，主要原因是因為采用第二種方式布置，構(gòu)件的阻尼其兩端之間的相對位移是最大的.

2.3 阻尼桿布置數(shù)量方案選取

由上面的研究結(jié)果，假設(shè)采用第二種方案設(shè)為最佳方案.為了保證在這種情況下的阻尼構(gòu)件都設(shè)置在了整個體系的關(guān)鍵部位，沒有多余的浪費，必須再選擇其他方案來進(jìn)行比較.最終可以得出，整個體系的中間部分節(jié)點和發(fā)生碰撞時的位置比較接近的節(jié)點位移最大，這樣，在實際應(yīng)用當(dāng)中可以將原始方案中設(shè)置在體系兩側(cè)的阻尼構(gòu)件減掉一半，只留一半構(gòu)件的方案稱為方案1;將原始方案中設(shè)置在體系發(fā)生碰撞位置的構(gòu)件減掉一半，這種方案稱為方案2;原始方案稱為方案3.

阻尼數(shù)量不同時，各桿件內(nèi)力比較如圖所示:

2.4 結(jié)論

由以上全跨度布置阻尼桿與邊跨未布置阻尼桿及全跨度布置阻尼桿與前半部分布置阻尼桿各桿件內(nèi)力比較圖可以得出以下幾點結(jié)論:

1)對于控制整個體系中各個構(gòu)件發(fā)生碰撞時的內(nèi)力，以上的幾種方案效果都較好，但是方案1、2所用的阻尼桿件只有一半，所以在節(jié)省成本方面，方案1、2比較合理.

2)方案3在上弦桿件中(50－100號)，即和碰撞方向垂直構(gòu)件的內(nèi)力達(dá)到了最大值，原因是附加的阻尼構(gòu)件數(shù)量較多，導(dǎo)致整個體系的剛度增大.所以在內(nèi)力的控制上方案1、2也比較合理.

3)從1、2兩點考慮，在開合屋蓋結(jié)構(gòu)中為了控制了各桿件在碰撞作用下的內(nèi)力，粘彈性阻尼桿布置的位置及數(shù)量都有一定的規(guī)律.可動屋蓋中左右兩側(cè)的位置以及遠(yuǎn)離碰撞接觸面位置的桿件碰撞響應(yīng)較小，在實際的工程應(yīng)用中，這兩個位置的阻尼構(gòu)件數(shù)量可以減少或者不設(shè).因為根據(jù)2點中的結(jié)論，阻尼構(gòu)件數(shù)量過多，會導(dǎo)致整個體系的剛度增大，增加構(gòu)件發(fā)生碰撞時候的內(nèi)力.

3 結(jié)束語

本文根據(jù)工程實例建立的模型進(jìn)行計算分析，通過粘彈性阻尼器在結(jié)構(gòu)中布置的不同位置以及不同數(shù)量下的節(jié)點位移、桿件內(nèi)力比較，得出了效果顯著且經(jīng)濟(jì)的阻尼桿件布置方案并總結(jié)了規(guī)律，對開合屋蓋結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)減振進(jìn)行了研究，為工程實踐提供參考.

［1］秦乃兵.剛性開合屋蓋結(jié)構(gòu)動力相互作用及減震研究.北京工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文，2006

［2］管軍，顧大強(qiáng)，段福斌.移動屋蓋開合機(jī)械的設(shè)計方法.機(jī)械設(shè)計與研究，2004，5

［3］董石麟，沈祖炎，嚴(yán)慧.新型空間結(jié)構(gòu)論文集.浙江大學(xué)出版社，1997