某索拱架式机库基本动力特性分析

郑欣豪周长根周强

摘要：模态分析是计算结构阻尼的重要过程，也是风振响应分析的基础，确定结构的基本振动特性具有重要的意义。本文基于实际工程，通过有限元建模和模态分析，对比不同节点刚度对结构基本振动特性的影响。结果表明刚性模型和半刚性模型差别较大，风振分析中应以半刚性模型进行。

关键词：大跨度结构；有限元建模；模态分析

1概况

某大跨度移动机库采用索拱架式结构，整体跨度42米，长度70米，由8榀标准索拱架通过半刚性系杆和斜向十字支撑连接组成，半刚性系杆连续布置，斜向十字支撑间隔布置，单榀索拱架结构如图1，每榀索拱架有6根弧杆通过装配式节点连接。根据国内为大量研究表明，转配式节点既不是完全刚接，也不是铰接，而是介于二者之间的半刚性连接[1][2]。根据该型机库的结构特点可知，单榀索拱架结构对该型机库影响很大，一定程度上决定整体结构的基本动力特性。因此本文基于单榀索拱结构进行分析。根据装配式节点的刚性和半刚性，分别对半刚性模型、刚性模型进行模态分析，提取固有频率和固有振型。

图1单榀索拱架结构

2模态分析结果

2.1半刚性模型

半刚性模型前10阶振型表明，半刚性模型前30阶频率落在0.897Hz和117.260Hz之间，频率区间跨度较大，并且有多个跳跃点。结构基频0.897Hz落在自然风的卓越频率范围之内，将导致风振响应较大。第1阶和第2阶分别为单榀索拱架平面内整体横向振动和竖向振动，第3阶之后多为局部振动，其中：第3阶振型为单侧起拱，拱顶左右分两跨交错起伏振动；第4阶振型为两侧外鼓，中间下移，拱顶中间与两侧分三跨交错起伏振动；第5阶振型为拱顶分四跨交错起伏振动；第6-9阶振型表现为拱顶单根杆件的振动，可以视为多跨交错起伏振动；第10阶振型为立柱的振动。

2.2刚性模型

同理对刚性模型进行模态分析，提取前30阶模态。结果表明，刚性模型的基频为1.186Hz，前30阶频率区间跨度较大并且有多个跳跃点。从刚性模型前10阶振型图可见，刚性模型前5阶振动形式与半刚性模型前5阶振动形式基本一致，6-10阶振型与半刚性模型的有所差别，差别主要表现为：1）局部振动中，拱顶的振动反弯点不同；2）刚性模型第9阶振型为杆件在索拱平面外的振动，而半刚性模型中第9阶振型为平面内的振动。以上两点不同主要是节点刚度不同而导致的。

2.3刚性/半刚性模型基本动力特性比较

图2半刚性和刚性模型频率差值百分比图

刚性模型与半刚性模型进行比较，分析二者的各阶频率差值百分比，如图2。结果表明，刚性模型的基频比半刚性模型基频高出了32.2%，前5阶频率比半刚性模型都高出了25%以上。说明半刚性模型基频较低，更接近脉动风卓越频率，后续风振响应分析中不能忽略节点刚度的影响，应以半刚性模型进行分析。半刚性模型基频更低，因此风振分析中以半刚性模型为基础。

3结论

综合以上分析结果可见，刚性模型和半刚性模型基本振动特性差别很大，一方面是振型有一定差异，另一方面是频率差别较大，刚性模型基频比半刚性模型基频高出30%，说明半刚性节点对结构影响较大，风振分析中应以半刚性模拟进行。

参考文献

[1]丁洁民,沈祖炎.一种半刚性节点的实用计算模型[J].工业建筑,1992,11):29-32.

[2]陈剑波,缪宏伟,裘盼盼.采用半刚性节点门式厂房的ANSYS计算[J].安徽建筑,2011,18(6):162-