1概述
张弦桁架钢结构是由张弦梁钢结构发展而来的,是由拱桁架、拉索及撑杆组合而成的一种新型的预应力空间钢结构形式‘1],近20年来得到发展应用。它的最大优点就是可以通过对钢丝索施加预应力使钢结构产生反拱,从而大大减小钢结构的挠度;另一方面由于钢索抵消了拱脚水平推力,充分发挥了拱形钢结构的受力优势和索材的高强度抗拉性能,使钢结构更加合理,降低了用钢量。
张弦立体桁架钢结构广泛应用于会展中心、体育场馆以及其他一些与生命相关的重大建设项目中,跨度越来越大。作为重要的公共设施,它们的安全性受到格外的重视,如何在设计和建造阶段就使它们具有足够的抗震能力和合理的安全度,已成为各国工程界、学术界十分关注的问题,对其进行严格的抗震研究具有重大的实际意义。
2计箅方法
关于张弦桁架钢结构的抗震分析,主要的研究方法有:传统规范的反应谱法、时程分析法和随机振动分析法‘2 3]。
反应谱法是最基本的方法,目前应用也较广泛,这种方法的实质是将动力问题转化为静力问题计算。首先根据大量统计得出的地震影响系数求得钢结构的每个振型所对应的等效地震荷载,然后将其作为静荷载施加到钢结构上求出各种地震效应,并应用叠加原理进行振型组合。显然,这种方法概念清晰,计算简便,但是它要求钢结构地震反应是线弹性的,并且不能精确反映钢结构在地震过程中随时间变化的动态过程,将它应用于强非线性问题的张弦桁架钢结构可能导致误差。
随机振动法比反应谱法更精确,比时程分析法更高效,值得在核电站抗震设计中推广。虽然它在随机激励场中的理论框架也已经建立,但是将其应用于地震工程界还是不现实,除非是对于只有少数自由度和支撑的简单钢结构,而且需要按照抗震设计规范所规定的地震反应谱强度计算出相应的随机地面加速度当量强度功率谱曲线簇,由于在计算上遇到了很大的困难,最终又退回到用近似的反应谱法作为求解随机振动方程的手段。
所以,在进行非一致输入地震响应的研究时,以时程分析法最为常用,它可以弥补上述应用反应谱法理论的不足。它的假定条件为:地基条件一致,地震波沿地表面以一定速度传播,钢结构各支承点处地震波波形不变,只是存在时间滞后和振幅衰减。它的基本原理是:钢结构反应的总位移分为拟静态位移和动力相对位移,前者采用静力法求解,代人原方程即可求出后者,从而求出总位移。在绝对坐标系下,其运动方程可表示为:
3地震反应的参数分析
3.1 地震波的输入
采用时程分析法对钢结构进行地震响应分析时,需直接输入地震波加速度时程曲线。输入地震波的确定是时程分析结果能否既反映钢结构最大可能遭受的地震作用,又满足基于安全和功能要求的工程抗震设计的前提。一般认为“选波”的原则是:选用的地震波应与设计反应谱在统计意义上一致,包括地震波数量和相应的反应谱特征。这个原则已经在建筑抗震设计规范中有所体现。本文采用的基本动力参数为:8度,近震。选定一条典型的地震波竖向记录El Centro波,最大加速度为- 206. 347 cm/s2(0. 98 s),地震波时间间隔为0.02 s,持续时间取15 s,适合于Ⅱ类场地,按照三维输入,进行地震参数分析。地震波的竖向加速度时程曲线如图1所
3.2计算模型与基本参数
钢结构计算模型参考广州国际会议展览中心屋盖、哈尔渎国际会议展览体育中心主馆屋盖等实际工程,采用稳定性好的倒三角形断面张弦立体桁架,立体桁架的中心线和拉索的轴线形状均采用二次抛物线。整体钢结构由6榀同样的张弦桁架及其支撑系统组成一个独立的屋盖体系,每榀张弦桁架的中线间距为15 m。钢结构支座跨度为130 m,矢高为13 m,垂度为8m,一端为固定铰支座,另一端为滑动铰支座‘4]。桁架截面为倒三角形,宽3 m、高3 m;中部撑杆共lI根,每根间距10 m;侧向桁架支撑共5道作为屋盖的纵向垂直支撑,除了在两侧支座及中部设置外,在1/4跨和3/4跨处各设置一道;未与垂直支撑相连的上弦节点布置檩条,间距为5m。
上述纵向支撑体系结合屋盖周边布置的水平支撑体系,使整个屋盖体系形成了较大的纵向空间刚度。