某码头进港大门网架结构的谱响应分析

宋晓峰，刘亚欢

（天津市颐和城市建筑设计有限公司，天津 300191）

某码头进港大门网架结构的谱响应分析

宋晓峰，刘亚欢

（天津市颐和城市建筑设计有限公司，天津 300191）

文章以某码头进港大门网架结构为研究对象，建立空间计算模型，并应用通用结构有限元分析程序进行该网架的自振特性及谱响应分析。结果表明，结构的自振以整体振型为主；结构的地震响应沿平面对称；结构在地震作用沿Y轴方向输入时的响应最大；网架的支座处及网架边缘处最薄弱。

网架；有限元分析；谱响应分析

1 工程概况及计算模型

近年来，随着经济飞速发展，人民生活水平不断提高，单纯使用功能的进出港收费站大门已经不能满足人们对审美的要求。于是，带有景观功能的收费站大门便应运而生。这些收费站大门大都造型新颖、奇特，它们的安全性能，尤其是在特殊情况（如，地震）下的安全性能成为一个重要问题。文章采用通用结构有限元程序研究某码头进港大门网架结构（见图1）的动力特性和响应，为该工程提供计算依据。

图1 收费站大门正立面、侧立面图

该大门结构设防烈度为7度（0.15 g），Ⅲ类场地。顶部的网架采用双层四角锥网架结构，下部为10根由4根300×300×10×15工字型钢组成的格构式柱。该结构计算跨度15 m，总高度10.35 m。材料选用Q235热轧无缝钢管。网架采用φ48×3.5和φ76×4.0热轧无缝钢管。在有限元计算中，所有杆件均采用杆单元，弹性模量E=2.06e11 N／m2。结构在10个柱脚处采用固定支承。模型中网架部分共有7 488个单元，1 935个节点。有限元模型见图2。

图2 结构有限元模型计算简图

2 计算结果及分析

2.1 结构自振特性分析

文章采用分块Lanczos法对该结构的自振频率和振型进行计算。计算中，考虑前20阶振型。前10阶振型的频率见表1，前4阶振型图见图3。

表1 结构前10阶振型特征

图3 结构前4阶振型图

由表1和图3可知，该结构振型以整体振型为主，第1振型为扭转，第2、3振型为平动，说明该结构的刚度分布不均匀，网架部分刚度较大。同时可以看出，结构刚度较大，变位较小。

2.2 反应谱分析

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011——2001）（2008年版）规定，7度（0.15 g）地区多遇地震下的水平地震影响系数最大值为0.12，Ⅲ类场地第一组的特征周期值为0.45 s，结构的阻尼比取0.02。模态采用平方和求平方根法（SRSS法），取前20阶振型进行组合。地震作用输入方向分别考虑X、Y、Z，3个坐标轴方向分别输入3种情况。

图4 沿X方向输入位移图(3 000倍)

图5 沿X方向输入轴力图（网架部分）

图6 沿X方向输入钢柱弯矩图（ⅰ ⅱ ⅲ）

2.2.1 沿X轴方向输入地震作用

大门网架结构在地震作用沿X轴方向输入时的位移响应以X轴方向为主（见图4）。其中X轴方向最大位移发生在网架上弦右边缘中部的1 837节点，其值为0.91 mm，是结构跨度的1／16 484。

由结构的轴应力与弯矩图（图5、图6）可知，结构网架部分的内力响应以轴力为主，最大轴力发生网架支座处的单元3 822处，其值为1.31 kN。结构格构式柱部分的内力响应以弯矩为主，其中，绕X轴最大弯矩为0.134 kN·m；绕Y轴最大弯矩为2.402 kN·m；绕Z轴最大弯矩为0.021 kN·m。

2.2.2 沿Y轴方向输入地震作用

图7 沿Y方向输入位移图（3 000倍）

图8 沿Y方向输入轴应图（网架部分）

图9 沿Y方向输入钢柱弯矩图（ⅰ ⅱ ⅲ）

大门网架结构在地震作用沿Y轴方向输入时的位移响应以Y轴方向为主（见图7）。其中Y轴方向最大位移发生在网架上弦左边缘角部的1897节点，其值为1.16 mm，是结构跨度的1／12 931。

由结构的轴应力与弯矩图（见图8、图9）可知，结构网架部分的内力响应以轴力为主，最大轴力发生网架支座处的单元372处，其值为1.29 kN。结构格构式柱部分的内力响应以弯矩为主，其中，绕X轴最大弯矩为1.951 kN·m；绕Y轴最大弯矩为0.243 kN·m；绕Z轴最大弯矩为0.031 kN·m。

2.2.3 沿Z轴方向输入地震作用

图10 沿Z方向输入位移图

图11 沿Z方向输入轴应图（网架部分）

大门网架结构在地震作用沿Z轴方向输入时的位移响应以Z轴方向为主（见图10）。其中，Z轴方向最大位移发生在网架上弦右边缘角部的1 935节点，其值为0.32 mm，是结构跨度的1／46 875。

由结构的轴应力与弯矩图（图11、图12）可知，结构网架部分的内力响应以轴力为主，最大轴力发生网架支座处的单元4 180处，其值为0.572 kN。结构格构式柱部分的内力响应以弯矩为主，其中，绕X轴最大弯矩为0.150kN·m；绕Y轴最大弯矩为0.143kN·m；绕Z轴最大弯矩为0.026 kN·m。

图12 沿Z方向输入弯矩图（ⅰ ⅱ ⅲ）

3 结论

通过对该进港大门网架结构的地震响应分析，可得如下结论：

（1）计算结果表明，该结构的自振以整体振型为主。

（2）通过对3种输入方式所得的结果的比较可知，地震作用沿Y轴方向输入时，该结构的内力和位移响应最大，沿Z轴方向输入的情况下结构的响应最小。

（3）该结构在3种地震作用输入方式下的位移及内力响应，基本都是呈现出沿中心平面对称的情况。

（4）该结构网架部分的最薄弱截面出现在网架支座处和网架边缘处。

（5）该结构网架部分的内力响应以轴力为主，格构式柱部分的内力响应以弯矩为主。

[1] GB 50017-2003，钢结构设计规范.

[2] GB 50011-2001，（2008年版）建筑抗震设计规范.

[3] JGJ 7-91，网架结构设计与施工规程.

[4] 陈宇文，王卫琴.大跨度钢管砼拱桥空间地震响应分析广州工业大学学报，2006（6）.

[5] 郭彦林，霍铁力.CCTV新台址主楼抗震性能研究.建筑结构学报，2008（6）.

The Spectral Response Analysis of the Network Structure for a Pier Gate into the Port

Song Xiaofeng，Liu Yahuan

The article takes the network structure of a pier gate into the port as the research object to build a spatial calculation model,and uses the general structure of finite element analysis program for natural vibration characteristics and spectral response analysis of the grid.The result shows that the natural vibration of the structure is mainly about the overall vibration modes;the seismic response of structure is symmetry along the plane;when inputting along the Y axis,the seismic structure gets the maximum response;the bearing and the edge of grid are the most weak.

grid;finite element analysis;spectral response analysis

TU356

A

1000-8136(2011)08-0004-03