充分利用结构的三维特性,使有限的材料更好的发挥其经济效益是当前建筑技术的一个重要发展方向。拱形结构全截面均匀受力,使材料的潜能得以充分发挥,从而节约材料,实现了结构的安全性和经济性的较好的统一,因而有着悠久的应用历史和广泛的应用领域拱桥钢筋混凝土拱壳、各种材质的拱网壳等建筑型式己广为建筑师和结构师所接受,但这些结构亦有其不足:首先是设计、施工复杂;其次,拱形结构产生较大的水平推力,对下部结构的要求条件高,加了下部结构的造价,因而其经济性并不突出,这在一定程度上限制了拱形结构的应甩冷弯折皱薄壁拱壳轻型钢结构较好地解决了这一问题它是由彩色镀锌钢板通过成型机连续冷模辊压成直型和带有横向波纹的拱形槽板,然后用金属自动封边机将若干这样的槽板连接成整体,并吊至屋顶圈梁安装就位而形成的该屋顶一改传统板架(屋面板和屋架)屋顶的结构形式,集受力、围护双重功能于一身,*大限度的利用材料由于使用的钢板仅厚0.杨维国(197),男,山西五台人,北方交通大学博士研宄生,从事轻钢结构及膜结构方面的研究徐国彬(1931),男,广东中山人,北方交通大学教授,博士生导师。
6~1.2mm,自重轻,且不需要屋面板,水平反力很小,对下部结构没有特殊要求,从而降低了工程整个造价,达到了实用性和经济性的统一,因此获得了广泛的应甩2研究现状及本文所用的研究方法冷弯折皱薄壁拱壳屋顶拱形槽板从整体上看属于拱形薄壳,但其细部带有许多波状折皱,波状折皱的存在使得结构受载后的工作性能、破坏机理以及破坏模型变得极为复杂。目前,对此种结构主要采用有限元的方法对其进行静力及稳定性分析,而动力分析在国内有关刊物上并不多见,对风荷载一般只作风的静力检算冷弯折皱薄壁拱壳轻型钢结区由于重量轻,在动力荷载,特别是在风荷载作用下,结构的动力响应较为显著。在沿海地区及北方多风地区,风荷载(包括静风荷载和脉动风荷载)往往成为设计的控制因素。由于结构刚度小,自振频率低与脉动风的卓越周期耦合,因此静风荷载的设计计算可按一般的静力荷载考虑,而对脉动风荷载,必须用随机振动的理论来分柝脉动风荷不仅随时间不断变化,而且*主要的是,在不同时间出现的两次荷载不会重现同一种波形,因而它属于一种随机荷载,结构物在其作用下产生的振动为一种随机振动但我们可以把风振作为各态历经的平稳随机过程来考虑,既符合工程实际,又大大简化了计算3研究过程3.1风荷载的取得要研究风对某一结构的作用,首先必须有该结构风环境的资料我国幅员辽阔,各地区由于地理位置不同,风特性亦不同,风速在空间上有一定的分布并随时间变化但由于风荷载可假设为各态历经的平稳随机过程,那么我们可以将各个样本在任一时刻t分别取平均值,从而得到一平均的风荷时间历程曲线,如下所示由公式得到平均的风荷载曲线,如图新示平均风荷载分布表1北京地区风荷载值风速(m基本风压W0(N风荷载的时间历程曲线对平均风压而言,几乎正对称分布。通过假设检验可知,它大体上符合正态分布规律,如所示一般将其作为高斯过程考虑,从而得84.由于薄壁拱壳的高度一般均在30m以内,按我国现行荷载规范不考虑脉动风荷载的影响,因而本文的分析将按以下两个方面进行:-+2e作为基本风压来计算,应用公式将Wk作为建筑表面的基本荷载,用SuperSap有限元分析程序对结构进行计算拱壳的长度一般大于跨度,故只取一条拱进行计算此拱跨度为25m,矢高5m,形状如图所示,横截面如a所示。本例中采用四节点各向同性板进行计算,得出结构受荷载后的变形如下图(所示。*大应力点为0跨度处拱肋的边缘点,其值为9Mpa此结果作为脉动风作用下结构应力及变形的对比值。
(2)将风荷载按动力荷载输入,并考虑建筑物的体形系数影响由结构动力学知,多自由度体系的振动微分方程为:本例采用振型叠加法,将此位移振型分解为进一步变换可求得解得q,由(4)式得进一步可求出结构内力。
本文用SuperSap的动力分析模块先对冷弯薄壁拱壳进行了振形分析,得到了结构的前九阶振型,其自振周期如下表2所示,由表中可知,结构的**阶振型频率为2 393Hz,周期为0.418s,这说明结构的刚度较小下为自振模态的**、二阶振型,从图中可以看出,**阶振型是反对称的,第二阶振型正对称的通过对它的振型曲线进一步分析可以发现,奇数阶振型是对称的,偶数阶振型是反对称的。在此基础上用SuperSap的Timeload模块表1的风荷载时间历程曲线输入,并利用振型分解法求解。得到了结构上各节点的应力时间响应曲线1/4夸度处拱肋边缘的应力响应值较大,其*大响应值为15MPa列出了1/4夸度处拱肋边缘节点A的响应历程曲线图。
表2拱形薄壳的前九阶自振频率振型阶数频率(Hz)节点A响应的时间历程曲线图(据各个时刻的应力值绘制)4结论由于风荷载是非对称荷载,因而对于拱形这种对称形式来说是一种不利荷载无论是静力风,还是脉动风荷载,结构的变形,应力均比较大由于结构的质量较小,且仅在支座处约束,因而结构较柔,其一阶自振频率较低,自震周期仅为0.418.这就使结构在脉动风荷载下的响应较为显著,因而脉动风是极为不利的一种荷载但由于此结构高度小于30m,按我国现行荷载规范,并不考虑动力系数从本算例看,此种计算偏于不安全,应该按规范得到静力风荷载乘以1. 7,由此来验算动力风比较合理薄壁拱形壳体结构的截面设计一般由稳定性控制,截面应力远未达到其许用应力结构便失稳了。从本算例的结果看,在脉动风荷载作用下,结构的*大应力己达到15MPa此时结构的稳定性如何尚需作深入的讨论上己述及,本文所作的讨论仅限于北京地区的风荷载,且未考虑风向影响,对于其它地区,本文的计算结果仅供