钢结构装配式防爆墙的自由振动分析

欧阳丹丹　王菲

摘 要：利用空间网格结构分析软件MST2006对4个钢结构装配式防爆墙模型进行静力分析，并按照满应力原则对模型进行截面设计。这4个模型包括1个柱—支撑结构模型，1个平面桁架结构模型，2个平面桁架系网架结构模型。采用通用有限元软件ANSYS对所有模型进行自由振动分析，得到各模型的一阶振型和固有频率。比较各模型的一阶振型可知，平面桁架系网架结构的一阶振型为平动，振动方向与爆炸荷载作用方向一致，动力特性较好，是一种较优的防爆墙结构形式。

关键词：钢结构 装配式 防爆墙 自由振动 固有频率 振型

中图分类号：TU894 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（c）-0056-03

Abstract：Static analysis of four steel structure assembling blast wall models were carried out by using MST2006. Section design of these models were made in accordance with the？full stress？principle.The four models include one column-brace structure model， one plane truss structure model and two plane truss grid models. Free vibration analysis of the four models were made by ANSYS and the first order vibration modes and natural frequencies of models were acquired. By comparsion of the first order vibration modes of every models， vibration mode shape of plane truss grid structure is translational. The vibration direction？is consistent with the direction of the explosion load. It suggests that plane truss grid structure have good dynamic characteristics and this structure is a better structure for blast wall.

Key words：steel structure assembling blast wall free vibration natural frequency vibration mode

防爆墻作为反恐防爆的一种重要措施，构筑费用低，防护作用明显，成为有效防止重要目标遭受恐怖爆炸袭击的常用措施。目标外部的防爆墙可以是目标四周永久性的围墙，也可以是目标前面或某些特定位置临时设置的装配式防爆墙。其中装配式防爆墙具有设置灵活方便的特点，得到了越来越多的应用。

装配式防爆墙可做成各种结构形式[1-3]，不同结构形式的受力和抗爆性能、材料用量等各不相同。复杂的结构形式会大幅度增加防爆墙的组装时间，不能满足快速组装的要求，并且难以实现单个构件的统一，不便于人工作业实施组装。因此，防爆墙的设计应着重从组装便捷快速，占地面积小等方面考虑。钢结构具有自重轻，抗震抗爆性能好，施工安装简便，杆件和节点便于定型化、商品化等优点[4]，值得推广应用于防爆墙的设计中。该文将对4个有代表性的钢结构装配式防爆墙进行自由振动分析，研究钢结构防爆墙的自振特性，在满足防爆墙结构功能的条件下，通过对各模型的振型进行比较来确定钢结构装配式防爆墙的合理方案。

1 钢结构装配式防爆墙的计算模型

该文设计了4个钢结构防爆墙模型，如图1～4所示。其中模型1为双肢格构柱—支撑结构，模型2为梯形平面桁架结构，在模型1的每一双肢柱间和模型2的每一平面桁架间增设水平系杆和水平支撑可得到模型3和模型4所示的平面桁架系网架结构。平面桁架系网架结构是由诸多杆件按一定规律组成的高次超静定空间结构。它改变了一般平面桁架的受力体系，能够承受来自各方向的荷载。由于杆件之间的相互支撑作用，空间刚度大、整体性好、能够承受由于地基沉降带来的不利影响；即使在个别杆件受到损伤的情况下，也能自动调节杆件内力，保证结构的安全。

采用空间网格结构分析软件MST2006对这4个模型进行静力分析，钢材选用Q235，按照满应力原则对计算模型进行多次调整，并结合工程实际对每一种计算模型进行合理配杆。在配杆设计时，考虑到动荷载作用下材料强度有所提高，材料强度需乘上材料动力设计强度综合提高系数1.30。

2 自由振动分析

爆炸荷载是一种动力荷载，它跟结构的固有频率有着密切的联系，也就是说相同的TNT爆炸当量在相同爆距条件下，对不同固有频率的结构将产生不同的爆炸荷载。为研究模型1～4的自振特性，采用通用有限元分析软件ANSYS对上述4个计算模型进行自由振动分析[5]以求得结构的固有频率和振型。

结构分析时采用的基本假定如下：节点为空间铰节点，每一节点有三个自由度，选用空间杆单元LINK8来模拟杆件；忽略节点刚度的影响，即不计次应力对杆件内力的影响。采用ANSYS软件对各计算模型进行自由振动分析得到的一阶振型图如图5、6所示，固有频率如表1所示。

3 计算结果整理及分析比较

模型1和模型2的第一振型主要为平动，并稍带扭转，且振型方向垂直于爆炸荷载作用方向。这说明模型1、模型2的纵向刚度和抗扭刚度较小，横向刚度对结构不起主要控制作用，在爆炸荷载作用下，结构产生横向振动的同时，将伴随较大的纵向振动，使得结构的振动形式变得更加复杂，影响了结构的动力特性。虽然这两种模型的杆件数量较少、用钢量较小，节点较为简单，但抗爆性能较差，不是用于防爆墙的理想结构。

模型3和模型4的第一振型为平动，且振型方向与爆炸荷载方向一致。这说明模型3和模型4的抗扭刚度和纵向刚度较大，横向刚度对结构起主要控制作用，在爆炸荷载作用下，结构主要产生横向振动，使得结构的振动形式较为简单，大大的改善了结构动力特性。虽然与模型1、模型2相比，模型3、模型4的杆件数量较多，节点连接较为复杂，但由于防爆性能好，应优先考虑模型3、模型4这两种方案。

模型3和模型4相比，由于后者杆件的规格较多，用钢量较大，节点连接比模型3更复杂，且垂直桁架的底部弦杆间距较小，将对基础产生较大的倾覆力矩，不利于基础设计。相反模型3的斜撑杆底端与主桁架的间距较大，可避免对基础产生较大的倾覆力矩，有利于基础的设计。由此可见，采用模型3比采用模型4更为合理。

4 结语

该文分析了4个钢结构装配式防爆墙模型的振型和固有频率，通过振型比较可知采用模型3方案能够有效抵抗爆炸荷载，可以明显节省钢材，减轻墙体重量。该结构形式能够满足人工作业的要求，构件种类少，较为单一，便于识别、组装和管理，并能根据实际应用需要，方便对墙体进行加长等调整。

参考文献

[1] 严东晋，丁娜娜.建筑物外部防爆墙的研究应用现状[C]//第五届全国工程结构安全防护学术会议论文集.2006：313-320.

[2] 孔新立，蒋美蓉，赵跃堂，等.建筑物防汽车炸弹工程措施[J].爆破，2006，23（4）：86-89.

[3] 于文静，赵金城，史健勇，等.波纹板防爆墙在爆炸荷载作用下动态力学性能研究[J].四川建筑科学研究，2012，38（2）：78-81.

[4] 魏明钟.钢结构[M].武汉：武汉理工大学出版社，2005

[5] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.