结构动力分析

结构动力分析（精选十篇）

结构动力分析 篇1

在海洋工程领域,固定式海洋平台结构有着广泛的应用。由于海洋平台结构通常建在深海地区,结构除了承受静荷载以外还受到波浪等动荷载的作用,会引起平台结构的振动,产生较大的位移。为了确保安全,仅仅考虑平台的静态效应是不充分的,有必要考虑动力作用,进行平台动力分析。当平台结构的自振周期与波浪的周期相差较远时,可只进行静力分析,因为这时静力分析结果与动力分析结果相差不大。

1 平台结构形式及计算模型

该平台泥面以上的总高程为98 m,在90 m和98 m处为工作平台,其中主导管的直径和壁厚分别为1.2 m,0.03 m,撑杆尺寸分为三种类型,分别为0.8 m,0.02 m;0.5 m,0.02 m;0.3 m,0.15 m,导管架底部采用等效桩的方式在6倍桩径处固结,平台的结构模型如图1所示。

2 环境要素与波浪力计算

2.1 环境要素

该平台所处海域的水深为80 m,极限条件下波高为5 m,波周期8 s,波长为120 m。

2.2 波浪荷载计算

对小尺度圆形构件,垂直于其轴线方向的单位长度的波浪力f可按Morison公式计算:

其中,Cd,Cm分别为拖拽力系数和惯性力系数;ρ为海水密度;D为圆柱直径;u和$\dot{u}$分别为水质点垂直于构件的速度和加速度。

在计算波浪力时应根据海区的波浪参数选用不同的波浪理论,本文选用斯托克斯三阶波理论进行计算,除此之外还应对不同的波浪入射角和不同的相位角进行搜索,以得到在某一入射方向产生的最大波浪力及相应的波峰位置。

3 海洋平台静力分析

通过以上介绍的方法,首先对平台结构进行静力分析,得到最不利的波浪入射方向及其对应的波峰相位角,确定最不利波浪入射方向,为此对波浪入射方向进行360°搜索,图2为不同波浪入射角对应的水平波浪力,由图2可以看出入射角为45°时,平台遭受的水平波浪力最大。

确定了最不利波浪入射角后,还要确定在此入射方向上,最大水平波浪力对应的波峰相位角,为此对波峰相位角进行360°搜索。图3为波浪入射角为45°时,不同波峰相位角对应的水平波浪力,由图3可以看出,当相位角为65°时,平台遭受的水平波浪力最大。

由以上分析可知,当对平台进行强度分析时,应选波浪入射角为45°,波峰相位角为65°。

图4为波浪入射角45°,波峰相位角65°对应的平台变形图,由图4中可以看出,在此种工况下平台的最大水平位移为0.021 m。

Hz

4海洋平台动力分析

在进行动力分析时,通常首先要对结构进行模态分析,以确定结构的自振频率,尽量使荷载的频率与结构自振频率错开,经分析结构的前10阶频率如表1所示。

对平台进行完模态分析后,还应对平台进行波浪力作用下的瞬态分析,由于波浪入射角为45°时结构遭受的波浪力最大,所以进行瞬态分析时取波浪的入射角为45°。图5为平台顶点y轴方向位移与时间的关系。

5结语

以上针对海洋平台结构给出了平台在波浪力作用下的静、动力分析过程,通过分析得到,结构的固有频率为0.989 8 Hz,结构的最大静位移为0.021 m,结构顶点在y方向的最大动位移为0.015 m。

摘要：从波浪荷载周期与平台自振周期的关系出发,对海洋平台结构所遭受的波浪荷载进行了分析,结合静力计算和动力计算,提出如何使用这两种方法来对海洋平台进行结构分析,从而确保结构安全。

关键词：海洋平台,静力分析,动力分析

参考文献

[1]尚晓江.Ansys结构有限元高级分析方法与范例[M].北京:中国水利水电出版社,2008.

[2]杨树耕.有限元分析软件Ansys在海洋工程中的应用[J].中国海洋平台,2000(2):15-16.

韩江北桥主桥结构动力特性分析 篇2

韩江北桥主桥结构动力特性分析

文中以韩江北桥主桥五跨连续无风撑斜靠式钢管混凝土系杆拱桥为研究对象,论述了无风撑斜靠式钢管混凝土系杆拱桥结构动力性能分析理论.利用大型通用有限元计算软件ANSYS建立该桥空间三维分析模型.采用子空间法分析结构的动力性能.确定成桥状态下的自振频率与振型.同时利用钢管混凝土结构设计规程及相关设计理论,对该桥的动力特性进行分析.

作 者：廖泽强 LIAO Ze-qiang 作者单位：广东长宏公路工程有限公司,广东广州,511300刊 名：广东交通职业技术学院学报英文刊名：JOURNAL OF GUANGDONG COMMUNICATIONS POLYTECHNIC年，卷(期)：20098(3)分类号：U448.2关键词：钢管混凝上拱桥 有限元法 动力特性 斜靠式

结构动力分析 篇3

关键词：混合动力；电动汽车；结构；控制对策

中图分类号：U469.79 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）14-0091-01

随着我国社会经济的不断发展，人们的经济条件越来越好、生活水平越来越高，对生活质量的要求也随之上升。在多年的发展中，为了保证经济的增长，对环境造成了严重的危害。为了缓解环境压力，国家逐渐开始针对污染环境的因素进行整改，首先就是汽车尾气问题。随着各项政策的不断出台，传统的汽车工业正面临着转型的重要阶段。由于燃油价格的不断上升，人们逐渐开始选择电能，但是传统的电池技术难以满足汽车的能源需求。因此，随着科学技术的发展，逐渐出现了以混合动力为主的电动汽车。

1 混合动力电动汽车的特点

混合动力汽车指的是由两种动力源组成的动力装置。而混合动力电动汽车指的则是在动力装置中，有一种动力源可以转化为电能。混合动力电动汽车的结构以及控制策略都有着一定的差异性，同时结构也呈现出多样化的趋势。

从我国目前的情况来看，主要的混合动力电动汽车分为串联型、并联型与混联型三种。分类主要是根据动力源的数量以及传递方式的区别。

和传统的电动汽车相比，这种混合动力电动汽车的优势主要可以分为以下几方面：

第一，混合动力电动汽车的发动机负荷和传统的电动汽车比要小，因此在节能减排方面体现的更加明显，噪音也更小；

第二，电池数量的转变，使得汽车的整体质量有明显减少；

第三，在混合动力电动汽车中，使用了辅助动力单元，因此汽车在持续性以及动力性能方面都比原来提高了很多，其水平和内燃机相差无几；

第四，混合动力电动汽车在行驶中有电动机的帮助，因此能够保证发动机长时间处于正常工作状态下，能够提高对制动能量的回收率，经济效益较强。

随着我国开始重视环境发展的措施，混合动力电动汽车以其低排放、环境优化的优势，必然会是未来的主要发展方向。

2 混合动力电动汽车结构与控制策略分析

2.1 串联式混合动力电动汽车结构与控制策略分析

串联式混合动力电动汽车是混合动力电动汽车中结构以及控制策略最方便的一种方式。串联式混合动力电动汽车的工作原理是：首先发动机工作产生机械能，再通过发电机将机械能转化为电能，这其中一部分电能来保证电动机以及动力传动装置的运行，另一部分电能则是储存在蓄电池中。

在对这类混合动力电动汽车采取的控制策略，主要是保证发动机的工作效率，使得排放一直处在良好的稳定状态的技术措施。

为了达到系统的最优化目标，在实践的过程中，这类混合动力电动汽车的控制方式主要分为两种：恒温器控制技术和发动机跟踪控制技术。

在使用恒温控制技术时，当蓄电池SOC的值达到最低点时，发动机会自动启动，在最低排放点保证功率的稳定输出，从而一边支持汽车工作，一边蓄电。当SOC的值达到最高点时，发动机会自动关闭，通过电能来保证汽车的正常运作[1]。这种控制技术，会使蓄电池处在不利的地位；

而发动机跟踪器控制技术，和传统的汽车控制技术较为相似。在这种技术下，对蓄电池的损失率较低。但是发动机的效率则较差，为了缓解这种情况，可以通过自动无极变速解决。

2.2 并联式混合动力电动汽车结构与控制策略分析

并联式混合动力电动汽车指的是发电机和电动机是两套独立的驱动系统，在保证汽车的正常运作时，可以采用三种驱动方式：发动机驱动、电力单独驱动、混合驱动。并联式混合动力电动汽车的工作原理是将行星轮系作为汽车的动力符合装置，或者通过将发动机、电机、轴串联在一起，组成全新的结构，从而通过磁场叠加原理保证混合动力电动汽车的正常运行。

在控制策略方面，目前主要有电力辅助控制、SOC扭矩平衡式控制、自适应控制、模糊逻辑控制等等。其中，电力辅助控制是应用最广泛的技术，能够很好的适应并联式混合动力电动汽车。在实践中，当混合动力电动汽车的车速比设定速度大时，由发动机工作功能；当混合动力电动汽车的车速比设定速度小时，则由电动机进行功能。当车轮的符合较大时，发动机和电动机会同时工作，保证汽车的运行。如果发动机的工作效率不高，则会让电动机作为混合动力电动汽车的主要结构。如果电池的状态不佳，则由发动机为电动机的工作提供能量。

2.3 混联式混合动力电动汽车结构与控制策略分析

混联式混合动力电动汽车的动力系统是在串联式与并联式的基础上，将两种进行综合的结果。混联式混合动力电动汽车的驱动方式较多变，既可以由发电机对混合动力电动汽车进行驱动，也可以通过发动机来驱动混合动力电动汽车，或者由两者同时工作进行驱动。混联式动力系统是混合动力电动汽车系统中优化性的最好体现。

在该控制策略中，有以下优势：在这种动力系统下，开始启动时由电池进行供电，当发动机能够维持在一个较高的稳定工作效率时，再由发动机驱动混合动力电动汽车。轻载下由电池进行功能，而正常的行驶过程则由发动机负责。在加速的过程中，两者之间相互配合，共同完成驱动任务。在减速过程中，电动机可以转化为电机模式进行工作。

2.4 电动轮混合动力电动汽车的结构与控制策略

除了以上串联型、并联型以及混联型混合动力电动汽车之外，近年来还出现了另一种更加先进的电动汽车：电动轮混合动力电动汽车[2]。

电动轮混合动力电动汽车的最大特点就是用电子差速器代替了传统汽车中额差速器与半轴，将电动机直接安装在驱动轮上，从而使得整个电动轮结构简便，传动效率更高。目前，通过计算机控制技术对电动轮的电子差速进行控制，已经成为电动汽车发展的一个重要方向。

电动轮混合动力电动汽车的控制策略主要在于对电子差速的准确控制。电子差速器的控制原理是当混合动力电动汽车直线行使时，左右车轮的转速相同，并通过车轮转速传感器将信号传输到中央处理器中，中央处理器在对两侧车轮进行分析后，将分析结果传输到电机控制器中，从而保证两边车轮速度的相同。当混合动力电动汽车转弯时，中央处理器会根据方向盘的转动幅度、路面的道路情况以及车轮转速情况等因素进行综合分析，并将分析的结果，也就是两轮所需要的转速信号传输到电机控制器中，从而保证两轮的差速控制。

3 结 语

随着我国社会经济的不断发展，逐渐开始重视环境的重要性。传统的汽车，每年会排放大量的汽车尾气，对环境造成严重的危害。随着混合动力电动汽车的出现，一方面可以充分利用我国在传统汽车行业方面的研究成果与工业基础；另一方面，大大减少了汽车尾气的排放，降低油耗，是传统内燃机汽车向零排放电动汽车过渡的使用方案之一，已经受到了广泛研究人员的关注。目前，混合动力电动汽车分为串联、并联、混联以及全新的电动轮等多种形式，在具体的应用中，要考虑到不同地点、用途，结合实际情况进行选择。

参考文献：

[1] 葛郢汉.混合动力电动汽车结构与控制策略分析[J].内燃机与动力装置，2011，（1）.

动力设备支架结构设计分析 篇4

1 支架结构概念设计

1.1 避免共振

动力设备支架结构设计首要解决的问题就是避免“共振”的发生。一般以频率分析为主,这一点可以通过振动情况下结构的位移变化来理解,设计中结构在振动状态下的位移采用公式δ=δstatic×Md进行计算,其中,δstatic=F/K为静力计算位移;${\rm M}{}_d=\frac{1}{\sqrt{(1-r{}^2){}^2+(2\times D\times r){}^2}}$为动力放大系数,$r=\frac{\text{操}\text{作}\text{频}\text{率}}{\text{自}\text{振}\text{频}\text{率}}‚D$为阻尼系数。当r=0时,Md=1,结构不产生振动;当r=0时,Md→∞,这就是所谓的“共振”。因此在结构设计中应使结构的自振频率远离设备运转的操作频率。

1.2 设备参数选取

动力设备支架设计过程中一般选择以下参数作为设计输入条件:1)设备的转速和外形尺寸;2)设备质量和质心位置;3)设备工作转速、共振转速范围;4)扰力分布位置以及传动方式。

1.3 结构方案选型

1)多层多跨结构时,宜采用等跨结构。为了保证水平刚度,结构平面内宜布置二级次梁和水平斜撑。2)在满足设备及工艺的条件下宜四周布置竖向斜撑,以保证竖向刚度和竖向位移,尽量避免用刚接节点;不宜采用悬臂结构。当用K形斜撑替代X形斜撑时,K形撑与主梁的连接点宜避开梁中心位置。3)设备布置宜符合下列要求:a.振动较大的设备、对振动敏感的设备和仪器以及上下往复运动的设备宜布置在支架柱等局部刚度较大的位置附近。b.水平往复运动或旋转运动的机械宜布置在梁的跨中位置,并应使扰力沿梁的轴线方向作用或支架的水平自振频率与抗扰力较大的方向。c.支架结构自振周期应选择在设备的自振周期0.5倍～2倍范围之外,即避开共振区域;工程实际中一般采用0.8倍～1.2倍的范围为共振区域。d.设计方案原则上要求振动设备的支架及其基础与其周围的结构及基础分离。若分离存在困难,可考虑采用长圆孔连接。

2 支架结构动力分析

设计过程中一般认为,当设备的扰力周期大于结构自振周期5倍以上、设备转速小于200 r/min或设备扰力小于100 N时,设备对结构产生的振动影响很小,可以不进行动力分析计算。

2.1 动力设备支架整体分析

1)计算模型假定。模型假定应符合动力计算特性,分为单质点或多质点振动模型。一般来说,当为单层的设备支架时则假定为单质点体系;当为多层的设备支架时假定为多质点体系。质点的质量采用集中质量法,主要考虑以下内容:a.结构及设备本身的全部质量。b.结构上长期堆放的原料、备品、成品及料仓、物料的质量。2)结构自振周期计算。对单质点体系的自振周期计算公式为:${\rm T}=2\text{π}\sqrt{\frac{m}{{\rm K}}}$。其中,m为集中质量,kg;K为杆件刚度,kg/s2。对多质点体系,可用能量法计算基本自振周期T1,计算公式为:${\rm T}{}_1=2\text{π}\sqrt{\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}m}{}_{i}u{}_i^2}{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}G}{}_{i}u{}_i}}$。其中,mi和Gi分别为第i质点的质量和重量;ui为在全部Gi(i=1,…,n)沿水平方向的作用下第i质点的侧移;n为自由度数。计算中要求振型各方向的质量参与系数都应大于90%;构件的截面刚度按弹性阶段计算。3)结构层间响应振动位移。当计算单台振动设备支架结构各层间响应振动位移时,可参照《多层厂房楼盖抗微振设计规范》进行计算;当支架上有多台振动设备时,其振动分析原理和单台设备支架相同,其合成振动位移或速度采用平方和开方求得。

$A{}_m=\sqrt{{\displaystyle \sum _{j=1}^{m}A}{}_j^2},V{}_m=\sqrt{{\displaystyle \sum _{j=1}^{m}V}{}_j^2}$。

其中,Am,Vm分别为计算点产生的合成振动位移和合成振动速度。

2.2 动力设备支承梁动力分析

1)设备支承梁计算模型假定。

支承梁为结构主要受力构件,直接承受设备的动力作用,设计中根据设备的支承情况一般将支承梁模型假定为单跨梁或多跨连续梁;对于支承设备的单跨主梁,当柱子竖向刚度比主梁竖向刚度大得多时,可以考虑柱子作为主梁的不动支座;同样对于支承设备的单跨次梁,由于主梁在次梁作用点处的竖向刚度比次梁竖向刚度要大得多时,也可以将主梁作为次梁的不动支座。因此,对于单跨设备支承梁,一般假定其为单自由度体系的受迫振动且两端铰接,否则应按弹性支座来进行计算。当设备支承梁连续且超过五跨(包括五跨)时,计算模型按五跨计算,否则应按实际跨数计算。对于振动要求较严格的结构,支承梁应尽可能设计为连续梁,以减少振幅。

2)支承梁自振频率计算。

设备支承梁一般可只进行垂直方向(fz)的振动验算,因为在水平方向通常采用布置水平支撑杆件或密铺钢板的方式来减少梁的平面外计算长度、增加梁的稳定性,同时也使水平方向的自振频率控制在共振区域之外。单跨设备支承梁的自振频率可按照《Dynamic and Temperature Stresses》Tables 16.7计算。当支承梁频率位于共振区时,可以通过以下方法来增大杆件自频:a.减少杆件自重;b.增大杆件刚度;c.减小跨度,减少挠度;d.提高阻尼。

3)支承梁最大振幅计算。

可以按静力学方法来计算梁的最大振幅。假定支承梁承受振动荷载为P(t)=F×sin(θt),其中,θ为振动荷载的频率,F为振动荷载的最大幅值;当P(t)=F时,通过静力计算得到的梁的振幅即为在动荷载作用下的最大振幅。在振动计算中,计算振幅时采用设备标准扰力;但是需要注意:当设备梁支撑在别的框架梁上,其有效位移等于设备梁与框架梁的位移叠加。对上面焊有钢盖板的钢梁,截面惯性矩仍按梁截面确定,不考虑钢盖板的作用。

4)支承梁的强度验算。

计算动内力时采用计算扰力:Pc=Kd×P。其中,Pc为计算扰力;P为标准扰力;Kd为动力超载系数,对于旋转式机器Kd=5.0,其他类机器Kd=1.3。

2.3 振动设计中钢结构的疲劳验算

振动设备支架中钢梁自重较轻,在扰力作用下钢梁的疲劳应力比值(绝对值最小和最大的应力比,拉应力取正值,压应力取负值)可能较小,应力出现往复变化较大,此时应验算钢梁的疲劳强度,尤其是对于焊缝以及设备附近的主体结构部分。

3 结语

本文首先从动力设备支架结构的概念设计入手,提出了在设计初期就应该注意的相关事项,强调了结构布置的好坏对于避免共振的重要性。然后根据设计思路,详细介绍了动力设备支架整体计算及单根设备支承梁设计中的有关细节问题,对于动力设备支架的优化设计有相当大的指导作用。

摘要：从提出动力设备支架的概念设计入手,介绍了动力设备支架整体模型及单设备支承梁动力分析的一般设计原则及设计思路,对于动力设备支架的优化设计具有一定指导作用。

关键词：共振,振动控制,疲劳,动力分析

参考文献

[1]《Dynamic Design》A.J.DAWSON.

[2]《Dynamic and Temperature Stresses》Chapter 16.

[3]GB 50190-93,多层厂房楼盖抗微振设计规范[S].

[4]YBJ 55-90,机械动荷载作用下建筑物承重结构的振动计算和隔振设计规程[S].

[5]GB 50017-2003,钢结构设计规范[S].

结构动力分析 篇5

［摘要］“产业结构优化升级”是我国“十一五”规划明确提出的发展目标。技术进步是生产力发展的根本动力,产业结构优化的主要动力来源于技术创新。技术创新的动力作用表现在引起需求变动、促进新兴产业产生和原有产业的技术改造、促使劳动生产率提高、改变各产业之间的相互关系和国际分工的格局等方面。

［关键词］产业结构优化 技术创新 动力作用

产业结构是指产业之间、产业内部的构成及其相互之间的联系或制约的关系。产业结构优化是指推动产业结构合理化和高度化发展的过程。前者主要依据产业关联技术经济的客观比例关系，来调整不协调的产业结构，促进国民经济各产业间的协调发展；后者主要遵循产业结构演化规律，通过创新，加速产业结构的高度化演进。

产业结构优化是受社会发展、技术进步、市场需求及产业政策的影响的。而技术创新是在超越了生产领域各生产要素质量的提高及工艺流程、操作技巧的提升,上升到管理技术等软科学层面的概念。它是科技成果转化为现实生产力,实现商品化,从技术成果走向市场的过程。在重新组织生产条件和要素的基础上,建立更加高效的生产经营系统,从而推出新产品,新生产工艺,开辟新市场的企业系统性行为。技术创新与产业结构优化在本质上具有相关性,决定了技术创新在产业结构优化中的巨大动力作用。

一、技术创新引导需求变动,而需求结构又促进产业结构趋向于合理化

某一产业之所以能够存在,是因为该产业仍然代表一定需求。需求对产业结构的影响是直接的,需求分为四个层次:以生理性需求为主导的需求;追求便利和技能的需求;追求时尚和个性的需求;因环境问题引起的生态需求。由于技术创新的不断推进,商品结构不断变化,价值收入水平的提高,人们的消费重点不断发生转变。在当今社会,环境的恶化导致人们对良好的生态环境的渴望,对绿色健康食品的需求,使绿色产业蓬勃发展。环境友好型产品的生产逐渐使非环境友好型产品逐渐退出市场,而绿色食品更是以极高的附加值给生产企业带来了丰厚的利润。可见,人们的需求结构因技术创新而发生改变,而产业结构因需求结构的变动而日趋合理化。

二、技术创新促进了资源在各产业间的流动，使各产业在原有水平的基础上得以提升，从而使产业结构向高度化的趋势迈进

迄今为止的人类文明, 经历了以土地和人力资源为基础的农业经济形态, 以机器和资本为基础的工业经济形态和目前人类文明正在迈向的以知识和信息为基础的知识经济时代。

随着技术的不断进步, 技术在经济发展中所起的作用越来越大。技术创新本身就是市场经济主体进行资源重组的过程。人力资源、物质资源、资本资源在重组后创造出新的价值,新产品、新工艺、新材料、新技术不断被发明,并得到利用,创造了新的生产活动的领域,拓宽了社会分工的范围,使新的可替代的资源科到了利用,节约了现有的生产资源;提高了资源的使用效率,使资源流向发生了改变;技术创新使劳动生产率提高,减少了对劳动力的需求,部分劳动力会从技术创新的领域分离出来,向需求上升的产业转移,实现资源的产业间流动。这就是产业结构随着技术创新不断由低级化向高级化发展的总趋势。

三、技术创新推动了劳动分工, 并改变劳动力就业结构，从而使产业结构发生变动，这是技术创新促进产业结构高度化的基本途径

马克思说:“现代工业从来不把某一生产过程的现存形式看成和当作最后的形式。因此,现代工业的技术基础是革命的, 而所有以往的生产方式的技术基础本质是保守的。现代工业通过机器、化学过程和其他方法,使工人的职能和劳动过程的社会结合不断地随着生产的技术基础发生变革。这样它也同样不断使社会内部的分工发生革命,不断把大量的资本和大批的工人从一个生产部门换到另一个生产部门。因此大工业的本性决定了劳动的变换,职能的更动和工人的全面流动性。”马克思在这里指出技术创新和技术进步推动着生产的社会分工,进而在社会生产中形成了现代工业, 并使生产要素在不同的生产部门之间转换流动,从而导致产业结构趋于优化。

四、技术创新可打破原有不合理的产业结构，使之向合理的产业结构模式转化

英国苏塞克斯（Sussex）大学的科学政策研究所在20世纪80年代提出了一种基于重要性的技术创新分类:渐进的创新;根本性的创新;技术系统的变革;技术—经济范式的变更，亦称技术革命，这种变更既伴随着许多根本性的创新群，又包含有许多技术系统的变更。

在技术发展生命周期的早期阶段所实现的根本性技术创新和技术系统的变革，往往标志着一种新的“技术—经济范式”和新的技术—经济发展轨道的出现。技术—经济范式的变更必将打破技术体系中原有技术个体之间的有效的协同作用关系，打破技术体系的内在平衡。历史上发生过的三次产业革命都是由于技术—经济范式的“引擎效应”引起的。

技术创新从根本上改变着传统产业的面貌，进而使产业结构发生变革。技术创新在使新兴产业诞生的同时，也积极地改造着原有产业和产业部门，技术创新使得传统产业部门有可能采用新技术、新工艺和新装备来提高其技术水平，改变其生产面貌，促进原有生产部门和产品的更新换代，甚至创造出全新的产品。技术创新从根本上打破了原有不合理的产业结构，使之向合理的产业结构模式转化

五、技术创新及其转移和扩散是新技术应用而淘汰旧技术的一个替代过程，产业结构随之向更加合理化和高度化的方向调整

技术创新及其转移和扩散是技术进步的实质，技术创新是技术进步的核心所在, 而技术的转移和扩散的过程也就是新技术的应用而淘汰旧技术的一个替代过程,在这个过程之中技术进步了, 产业结构随之向更加合理的方向调整。在这个过程中,是通过人、设备和信息这三种要素形式的载体来达到技术的进步;具有一定专业知识水平和技能的可以进行技术创新的劳动力和人力资本, 代表一定技术水平的机器设备和形成一定体系的有关技术的信息, 这些要素及其结合和转移使技术创新得以实现。美国是一个市场经济发达的国家,相对来讲比较重视人才, 通过人才引进, 来达到技术创新的目的,并在经济中取得了巨大的经济效益;日本则是以信息要素为主进行技术转移而取得巨大成效的典范,其“联合引进,集中消化,成果共享”的引进战略使日本的经济迅速发展,产业结构高级化有目共睹;前苏联和中国则以注重引进机器设备为主达到技术进步的目的,相对人和信息这两种要素来讲,具有周期短、见效快、相对成本低的效果,但技术依赖性强,不易掌握到关键技术,在当今技术进步突飞猛进的时代,像中国这样的发展中的大国,只有加强我们自己的技术创新能力, 提高我国自主开发和创新能力,才能从根本上解决技术落后、效率低下的问题，从而实现产业结构的进一步优化。

六、技术创新可改变国际分工格局,促使产业结构更加合理化

目前，经济全球化已经成为现实,这是一个不以人们意志为转移的大趋势。在现代经济全球化的条件下,国际市场的竞争越来越激烈，任何一个国家都不可能具有发展一切行业,满足全部国内需求的资源、技术、产品和劳务。不仅如此,更为重要的是,一个国家即使具备了发展某种生产行业的一定条件, 但是发展这种行业也不一定有利。“即使是在全球处于垄断地位的波音公司,其飞机零件也来自十几个国家和地区”。

结构动力分析 篇6

关键词：结构整体超强系数能力值；非线性动力分析；临界倒塌状态；钢筋混凝土；框架结构

中图分类号：P315.9文献标识码：A

结构超强系数是结构的实际强度与设计强度的比值，它反映了结构储备强度的大小.历次震害表明，结构超强的存在是结构在大于其设计地震作用的强震作用下不发生倒塌的一个重要因素[1].美国的NEHRP[2]推荐条文给出了不同结构体系的超强系数建议值（FEMA-750）；欧洲规范EC8[3]对所有的结构首先考虑了保守的结构超强系数1.5，然后又通过超静定系数αu/α1 进一步考虑了不同结构由于超静定程度差异引起的结构超强的差异；新西兰荷载标准NZS[4]中的结构性能系数SP 相当于结构超强系数的倒数，取值等于0.67，相当于统一考虑了1.5 的结构超强系数.各国规范规定的结构超强系数最低限值主要是依靠工程经验确定的，之间有较大差别，但总体来说，对于低延性的结构规定的限值要高于高延性结构.国外很多学者采用数值模拟方法对各类结构体系的超强系数展开了系统深入地研究[5-6]，并给出了结构整体超强系数的建议取值.

中国GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》尚未对结构的超强性能作明确的考虑，CECS 160-2004《建筑工程抗震性态设计通则（试用）》[7]虽然给出了25类结构体系的结构影响系数和位移放大系数的建议值，但是并没有对结构超强系数的规定，只是在条文说明中介绍了结构超强的概念.中国学者[8-9]对钢结构和钢筋混凝土框架结构的超强能力进行了分析，建议抗震规范应该考虑结构整体超强的影响.

总体来说，结构超强系数的大小随着结构类型、设防分区、设计延性等级和结构高度（或结构周期）等的变化表现出较大的离散性，而且分析结果还和采用的分析方法以及采用的结构失效判别准则等有关，结构超强的量化难度比较大.为了在结构抗震设计过程中更合理地考虑结构超强的影响，并考虑动力效应对结构整体超强系数的影响，还需要做进一步系统深入地研究工作.

严格按GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》，考虑不同设防烈度，不同层数设计17个典型RC框架结构，采用OpenSees进行有限元建模与分析，并采用结构拟静力试验数据对有限元模型进行验证.采用非线性动力方法，对所设计典型结构的地震反应进行分析，得到按现行抗震规范所设计结构的整体超强系数能力值的取值及其变化规律.

1结构整体超强系数能力定义

结构整体超强系数示意图如图1所示.结构整体超强系数定义为：

结构整体的超强来源于以下因素：材料自身的超强、抗力分项系数、规范的构造措施、非结构构件的参与、结构的冗余度、内力重分布的影响等等.FEMA-450 的条文说明中将结构整体超强的原因归结为设计超强、材料超强和结构体系超强3个方面.

本文采用结构整体超强系数作为结构抗震能力参数，根据结构达到某一破坏等级的最大反应，得到结构抗震能力所对应的整体超强系数能力值.

根据中国现行抗震规范给出的结构极限变形状态[10]，将结构最大层间位移角达到0.02时得到的结构整体超强系数定义为其“临界倒塌状态”能力值.

采用非线性增量动力分析方法对结构进行分析，直到结构最大层间位移角达到0.02时，画出结构动力基底剪力与结构顶层最大位移的关系曲线，得到结构的最大非线性基底剪力Vy，从而计算出结构整体超强系数能力值.

2有限元建模与地震动选取

2.1结构的设计与有限元建模

严格按现行抗震规范，考虑Ⅵ度，Ⅶ度，Ⅷ度设防烈度，分别设计了3层、5层、8层、10层、12层、16层总共17栋RC框架结构.

结构的平面均相同，如图2（a）所示，结构立面均为规则框架结构，立面图以5层结构为例如图2（b）所示.底层层高3.9 m，以上各层层高3.3 m.楼面活荷载取2.0 kN/m2，屋面活荷载取0.5 kN/m2.地表粗糙类别为C类，土质中硬；基本风压为0.45 kN/m2，基本雪压0.25 kN/m2.钢筋类型：纵向受力钢筋采用HRB335，箍筋采用HPB300.结构编号原则为：F为框架（frame），第1个数字表示楼层数，第2个数字表示设计基本烈度情况：1～3依次对应设防烈度为：Ⅵ度，Ⅶ度，Ⅷ度，例如，F81表示8层Ⅵ度设防框架结构.结构梁、柱尺寸和结构基本周期见参考文献[11].

2.2地震动记录的选取

为了研究不同地震动对结构反应的影响，本文基于修正后的PEER强震数据库[12]，根据地震事件参数和地震动参数进行了地震动记录的选择，力求在较宽的震级Mw（震中距R范围内）选取地震动，不考虑具有特殊性质的近断层地震动.本文在4个MwR条带中选取地震动，这4个选取条带包括：SMSR（5.8

3结构OpenSees有限元模型的试验验证

清华大学叶列平等人于2011年先后进行了RC柱和RC框架结构的拟静力倒塌试验，具体试验数据见http：//www.collapseprevention.net/，并在全国范围邀请研究人员参与预测.作者及所在课题组参与了该次试验的模拟竞赛[14]，模拟时采用了与本文有限元模型一致的基本原则，钢筋混凝土框架柱模拟结果与试验结果对比如图4（a）所示，钢筋混凝土框架结构模拟结果与试验结果对比如图4（b）所示.

由图4可知，基于文中建模原则建立的有限元模型可以较好地模拟结构整体的滞回性能.但是，试验数据和模拟结果之间仍然存在一定的差异，这些差异需要通过更为精细化的有限元建模解决，如考虑结构节点的滞回特性等.

4整体超强系数能力分析方法及流程

4.1基于非线性动力法的结构整体超强系数能力

分析

采用非线性增量动力（Increment Dynamic Analysis， IDA）分析方法，通过将每条地震动记录不断调幅来逐步增大其强度，直到结构最大层间位移角达到0.02，分析得到结构的最大非线性基底剪力Vy，将其和结构设计强度Vd相比，可以得到结构整体超强系数能力值，具体分析步骤如下：

1）首先采用非线性IDA分析，直到结构最大层间位移角达到0.02；

2）根据IDA分析结果，画出结构动力基底剪力与结构顶层最大位移的关系曲线，并得到结构的最大非线性基底剪力Vy；

3）根据PKPM的设计结果，提取结构第一振型的基底剪力，确定出结构设计强度Vd，从而可以得到“临界倒塌状态”时结构整体超强系数能力值RSC.

4.2结构整体超强系数能力分析的流程

本文采用非线性动力分析方法，研究按现行抗震规范设计的RC框架结构的整体超强系数能力值的实际取值情况.结构整体超强系数能力分析流程如图5所示.

5算例分析

采用选取的20条地震动，将每条地震动记录通过不断调幅来逐步增大其强度，直到结构到达倒塌点，对结构进行IDA分析，部分结构的IDA曲线如

图6中不同曲线表明了同一个结构在不同地震动作用下的反应不同.可以看出，结构倒塌谱加速度中位值随结构层数的增大而减小，而对于相同层数的结构来说，它随结构设防烈度的增大而增大.

通过IDA分析，分别找到每条地震动作用下，结构最大层间位移角达到0.02时所对应的地震动强度（Sa0.02），得到结构动力基底剪力与结构顶层最大位移的关系曲线，得到结构最大非线性基底剪力Vy，已知结构设计力Vd，计算出“临界倒塌状态”时，结构在20条地震动作用下的20个超强系数能力值，取其中位值如图7所示.

从图7可知，分别按Ⅵ，Ⅶ和Ⅷ度设防烈度设计的结构，采用非线性动力分析方法得到的结构整体超强系数中位值的变化范围分别为6.7～11.1，4.4～7.0，3.0～4.0.按最小值原则，建议取值分别为6.0，4.0，3.0以上.结构超强系数随结构设防烈度的增大而减小.主要是因为结构重力荷载代表值与设计地震作用的比例对结构超强系数影响很大，若保持设计地震动作用不变，增大重力荷载代表值，则结构超强系数增大；若保持重力荷载代表值不变，加大设计地震作用，则结构超强系数减小.对于层数相同而设防烈度不同的结构，其整体超强系数都随设防烈度的增高而降低，这是因为当设防烈度低时，设计中主要由重力荷载和风荷载来控制.

6静力方法与动力方法的对比分析

将采用非线性动力分析方法得到的超强系数能力值，和采用非线性静力分析方法得到的17个结构整体超强系数能力值[11]相比较，其比值如图8所示.

由图8可知，分别按Ⅵ，Ⅶ，Ⅷ度设防烈度设计的不同层数的结构，此比值的变化范围分别为1.2～2.2，1.2～1.9，1.1～1.5，其中位值分别为1.8，1.6，1.3.动力分析结果能够反映真实结构在地震动作用下的反应.和动力分析结果相比，静力分析结果低估了结构强度，结构整体超强系数能力值偏小.动力分析和静力分析得到的结构整体超强系数都随结构设防烈度的增大而减小，但是随结构层数的变化规律不一致.

7结论

采用非线性动力方法，对按现行抗震规范所设计的17个RC框架结构的地震反应进行了分析，主要结论如下：

1）得到了临界倒塌状态时，结构整体动力超强系数的能力值.按中国现行抗震规范设计的Ⅵ，Ⅶ和Ⅷ度RC框架结构，结构整体超强系数能力值的最小值分别为6.0，4.0，3.0，结构本身具有良好的承载能力储备.其最低值和NEHRP2000推荐条文中给出的结构整体超强系数限值3一致.

2）动力分析结果能够反映真实结构在地震动作用下的反应.和动力分析结果相比，静力分析结果低估了结构强度，结构整体超强系数能力值偏小，但是随结构层数的变化规律不一致.

参考文献

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高层连体结构的动力特性分析 篇7

近年来, 随着我国建筑业的快速发展, 高层连体结构建筑的应用越来越普遍, 由于这种结构存在体型高耸、体系复杂等特点, 其受力机理也较为复杂, 特别是抗震性能的研究, 目前在国内外尚未形成统一的理论共识[1]。由于高层连体结构建筑通常由底盘和双塔两种结构组成, 在地震作用下, 其动力特性较为复杂, 在高层连体结构建筑设计时, 需要大量的理论分析和实验数据的支撑, 因此, 开展高层连体结构建筑的动力特性分析成为亟待解决的问题[2]。本文采用有限单元法, 建立了高层连体结构建筑的三维有限元计算模型, 计算得到了高层连体建筑的自振频率和振型, 并对计算结果进行了分析说明, 为高层连体建筑的抗震设计提供了一定的理论依据。

二、计算模型

高层连体结构建筑由底盘和双塔两种结构组成, 结构体系的底盘为3层建筑, 双塔均为20层, 层高4m, 总高92m, 在结构体系的第20层通过连接体相连。连接体采用钢筋混凝土板结构, 建筑基础采用桩基础。

三、结构计算模型

(一) 材料参数。高层连体结构混凝土强度等级为C40, 弹性模量32.5GPa, 泊松比0.2, 密度2, 500kN/m3, 阻尼比0.05[3]。地基的软土层弹性模量0.5GPa, 泊松比0.35, 密度1, 800kN/m3, 阻尼比0.05。地基的基岩层弹性模量50GPa, 泊松比0.25, 密度2, 600kN/m3, 阻尼比0.05。

(二) 计算模型。在建立高层连体结构的三维有限元模型时, 梁和柱采用空间梁单元进行模拟, 采用壳单元来模拟楼板和剪力墙, 地基土采用8节点块体单元来模拟[4]。地基的长取值为508m, 地基的宽取值为280m, 地基的深度取值为136m;地基分为软土层和基岩层, 其中软土层的深度取值为16m, 基岩层的深度取值为120m。高层连体结构有限元模型中高度方向为Y方向, 水平方向为X、Z方向, 有限元计算模型如图1所示。

四、计算结果分析

对高层连体结构进行动力特性分析时, 得到了结构的前10阶振型和频率。高层连体结构各阶振型如图2~图11所示。

从图2~图11可以看出, 高层连体建筑结构的前3阶频率差值很小, 高层连体建筑结构的第一、二阶振型为平动振型, 第三阶振型为扭转振型, 第四阶振型为二阶平动振型, 第五阶振型为局部振型, 第六阶振型为二阶平动加局部振型, 第七、八、九、十阶振型为扭转振型。高层连体结构的第一、二阶振型均为平动振型, 并以上部振型为主, 表明结构下部的整体刚度较大。

五、结语

综上所述, 通过对高层连体结构的动力特性分析, 得到以下结论。高层连体建筑结构是比较复杂的建筑结构, 振型中不仅有横向、纵向振型, 局部还有扭转及组合空间振型, 说明该建筑结构的动力特性较为复杂。高层连体建筑结构第一、二阶模型以平动为主, 说明此建筑结构在正常运行过程中振动模态以平动为主。

摘要：近年来, 高层连体建筑在我国得到了广泛应用, 但是目前对其抗震性能的研究较少。本文对高层连体建筑进行了仿真计算, 给出了高层连体建筑的自振频率和振型, 并对计算结果进行了分析说明, 为高层连体建筑的抗震设计提供了一定的理论依据。研究结果表明, 高层连体建筑结构是比较复杂的建筑结构, 振型中不仅有横向、纵向振型, 局部还有扭转及组合空间振型, 说明该建筑结构的动力特性较为复杂。

关键词：高层连体结构,动力特性,有限元法,振型,自振频率

参考文献

[1]聂祺, 唐曹明, 杨韬.某大跨度双塔连体高层结构抗震优化设计[J].四川建筑科学研究, 2015, 2:175~178, 187

[2]林剑.地震作用下连体高层结构的扭转效应分析[J].青岛大学学报 (工程技术版) , 2014, 2:105~110

[3]GB 50010-2010.混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2011

结构动力特性分析的传递矩阵法 篇8

1 传递矩阵法的基本原理

1.1 均质梁的自由振动

单跨均布质量梁的示意图如图1所示。如不考虑剪切变形及截面转动的影响, 在弯曲转动时, 由达朗贝尔原理可以得到如下的微分方程[1]:

其中, E为弹性模量;I为惯性矩;m为梁单位长度上的质量。

将式 (1) 通解为[2]:

C= (chαx-cosαx) /2, D= (shαx-sinαx) /2, 则式 (2) 可写成:

根据结构的几何及物理关系可得:

当x=0时, 令w=w0, θ=θ0, Q=Q0, M=M0, 代入式 (3) ～式 (6) 可求解出系数F1～F4, 再回代到式 (3) ～式 (6) , 并将其写成矩阵的形式为:

其中, S0和S分别为梁单元的初始状态向量和终端初始向量;矩阵T即为均质梁弯曲自由振动的传递矩阵。

1.2 离散结构体系的自由振动

离散结构体系是由无质量的梁段和仅有质量的集中质量组成的结构体系。

1.2.1 无质量梁段的传递矩阵

梁在平面弯曲时的初参数方程解为:

写成矩阵的形式为:

1.2.2 集中质量体的传递矩阵

对于集中质量的自由振动方程为:

其中, M为质量矩阵;ω为结构的自振频率。

结合式 (10) , 根据第i个集中质量的平衡条件和位移协调条件为:

写成矩阵的形式为:

其中, Ti为集中质量的传递矩阵, 即点矩阵。

1.2.3 总传递矩阵

整个梁单元的传递矩阵为:

各段梁的传递矩阵确定之后, 任一段的状态向量可由下式求得:

如全梁划分成n段, 则有:

其中, H为梁的总体传递矩阵。

将结构的两端边界条件引入式 (16) 得到频率方程f (ω) =0, 运用频率搜索法即可求出各阶振动频率ωj (j=1∶n) 。

2 算例分析

某单跨梁的梁跨度L=10 m, 梁的弹性模量E=2.1×1010 Pa, 抗弯惯性矩I=2.0×10-5 m4, 单位长度上的质量m=165 kg/m。

采用变分法[3]得到两端简支梁的自振频率如下:

应用本文的传递矩阵法编制了相应的MATLAB程序, 其计算结果与变分法计算的精确理论解列于表1。

根据表1比较本文方法和精确理论解的计算结果可以发现, 本文的传递矩阵法的计算结果与精确理论解完全一致。

3 结语

传递矩阵法思路清晰, 逻辑性强, 便于编程且占用内存较少, 是一种有效的计算方法。算例表明运用传递矩阵法计算结构的自振频率与精确解完全一致, 验证了本文推导的各传递矩阵式的正确性。

摘要：分析了传递矩阵法的基本原理, 将传递矩阵法应用于结构的振动特性分析, 推导了该方法的计算公式, 编制了计算程序, 进行了相应的算例计算, 并与精确解进行了对比。

关键词：传递矩阵法,振动特性,状态向量

参考文献

[1]张荣山.工程振动与控制[M].北京:中国建筑工业出版社, 2003.

[2]刘庆潭, 倪国荣.结构分析中的传递矩阵法[M].北京:中国铁道出版社, 1997.

浅谈结构抗震动力非线性分析 篇9

由于动力弹塑性时程分析难度较大,需要较好的计算机软件和很好的工程经验才能得到有用的结果。所以Push-over方法最近应用较为广泛,但是它是否能够较精确地反映结构的抗震性能仍需要工程实践的论证及探讨。Push-over方法用静力荷载代替动力荷载,不能反映循环荷载对结构产生的累计损伤;水平荷载的加载模式对结果的影响较大。

1 工程背景

某大厦设2层地下室,主、裙房间设抗震缝,主楼平面东侧为矩形,西侧呈弧形的不规则L型平面,长45.10 m,宽52.54 m,西侧楼板宽18 m,东侧16.25 m,钢筋混凝土框架剪力墙结构,该大厦主楼142.30 m,高度大于JGJ 3-2002高层建筑混凝土结构技术规程中B级高度限值140 m,属于高度超限结构。

2 结构Push-over分析

侧向荷载采取倒三角法,基底剪力与总重量的比值取为5.00。Push-over分析过程为:以X向地震为例,当侧向荷载因子达到1.015 2时,此步的等效单自由度的基底剪力达到总重量的8.30%,结构周期为4.549 s,结构剪力墙所承担的地震剪力约占总基底剪力的80%,此时主体结构的中间楼层部位连梁段及部分框架梁出现塑性铰。

随着侧向荷载因子的加大,塑性铰扩散至附近梁柱节点,然后剪力墙中间部位也出现塑性铰,并向周围扩散。加载至最后一步即侧向荷载因子为1.017 3时,此步的等效单自由度的基底剪力达到总质量的9.72%,结构周期为5.544 s。除剪力墙部位出现塑性铰外,其余大部分结构框架柱底未出现塑性铰。由此可见,剪力墙作出了较大的耗能贡献,较好地体现了双重抗震体系的概念。每步加载的楼层位移曲线均较为光滑,可以判断结构无明显薄弱层。

本工程尺度较大且平立面变化不大,可采取全区域法。该大厦模态测试测点平面布置见图1,在一层平面上共布置3个测点,两翼各布置1个,仪器的L向和山墙平行,用于测试扭转模态。中间1点放在楼面的理论刚心处,仪器的L向和该轴线的径向墙面平行,用于测试平动(径向和环向)模态。测点沿大厦垂直方面的布置见图2。

经测试获得了加速度时程图及传递函数图。通过模态分析方法来确定前几阶自振频率、振型和模态阻尼。前6阶模态的自振频率和阻尼见表1,平动部分各阶模态的振型相对值见表2,扭转部分各阶模态的振型相对值见表3。

3 结构动力模态测试结果分析

根据有限元计算分析得到的模态与测试模态的结果,进行比较分析。

如表4,表5所示为测试模态和计算模态的比较,其中,表4按频率比,表5按周期比。

由表4,表5可以看出,按自振频率比,测试自振频率和计算自振频率的相对误差是比较大的,达42.30%。但按自振周期比,测试自振周期和计算自振周期的相对误差有所下降,达29.70%。

由于设计规范中的建筑结构地震影响系数曲线的横坐标是按结构的自振周期来定义的,所以就测试自振周期和计算自振周期之间的误差可能来源和由此带来的影响作分析与讨论。

1)在结构有限元分析计算中,将50%的活载作为动力计算时的楼面附加质量。而模态实测时,建筑结构正处于施工阶段,外周玻璃幕墙尚未完成,这部分质量并未形成。从这个意义上说,则表5中的误差将会减小。具体数量和50%附加质量及幕墙荷载占楼面总质量的比例有关。

2)高层建筑内部有较多的非承重的填充砌体,这部分隔墙的刚度未计入有限元分析计算中。根据高规要求的3.3.17条,高层建筑结构的计算自振周期折减系数可按下列规定取值:框架结构可取0.6～0.7;框架—剪力墙结构可取0.7～0.8;剪力墙结构可取0.9～1.0。

本工程有限元抗震分析中,针对周期的折减系数取框架—剪力墙结构为0.80,用以避免低估地震力的情况发生。

4 结构动力模态测试结论

通过模态测试及分析,得到如下结论:

1)按自振周期比,测试值和计算值的相对误差为29.7%,测试值周期较短。经过质量分析后,测试值和计算值的相对误差为18.20%。由于各方向第二周期的测试值和计算值均已小于地震影响系数曲线中的Tg=0.9 s,进入平台区,所以第二周期的误差不会带来地震力过小的问题。

根据测试结果,结构环向与径向频率接近,两方向的振型基本一致,表明结构平面布置在两方向较为均衡,没有明显的强弱轴;振型形态较为缓和,没有出现突变,也表明结构的质量及刚度分布比较均匀。

2)经分析,模态误差主要有:a.测试时,由于结构荷载未完全施加,与理论计算有不同;b.钢筋混凝土结构及其连接、构造与理论计算中简化的理想状态不同,此外还有结构的计算阻尼与实际的差异;c.隔墙刚度的影响;d.测试环境的干扰等。

3)从结构的安全性出发,为避免引起设计的结构所承受地震力偏小,在理论计算分析中的隔墙引起的周期折减系数必须考虑。本工程在考虑后,与实际所测的结果周期相差可以忽略,避免了地震力设计过小的问题。如果计算时周期折减系数不考虑或取得不够小,会有低估地震力的情况发生。

摘要：结合具体工程实例,介绍了结构的Push-over分析法,得出了该工程的动力模态测试结果并对其进行了分析,提出了影响模态误差的几个方面,指出如果计算时周期折减系数不考虑或不够小,会有低估地震力的情况发生。

关键词：结构,抗震,非线性分析,弹塑性时程分析

参考文献

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[2]Michael R.Hatch Variation Simulation Using Matlab and ANSYS[J].Chapman&Hall/CRC,2001.

大跨张弦梁结构动力特性分析 篇10

关键词：张弦梁结构,有限元模型,动力特性,振型,刚度

1 概述

张弦梁结构 (Beam String Structure, 简称BSS) 是由弦、撑杆和压弯构件组合而成的新型自平衡体系, 首次在20世纪80年代初由日本大学M.Saitoh[1]教授提出。它具有承载能力高, 使用荷载作用下变形小, 自平衡功能, 结构稳定性强, 建筑造型适应性强, 制作、运输、施工方便等特点。被广泛应用于大跨空间结构, 如体育馆、展览馆、机场馆等结构中, 如国内的上海浦东国际机场航站楼屋盖、广州国际会展中心、哈尔滨国际会展中心等。

大跨张弦梁结构屋面具有质量轻、柔性大、小阻尼及低固有频率等特点[2], 与传统的结构相比这种结构对动力荷载 (地震荷载、风荷载等) 作用敏感性增强。其在水平荷载 (如地震荷载、风荷载) 作用下的结构响应与其自身的动力特性密切相关;同时动力特性又是衡量一个结构的质量和刚度分布是否合理的重要指标, 准确控制能有效降低或减小结构共振的危险。

本文以位于广州的某大跨张弦梁结构为分析对象, 通过对一个区的整个屋盖进行了有限元模态分析, 从而获得其准确的动力性能, 为其他类似工程的设计、施工做技术参考。

2 大跨张弦梁结构简介

本文涉及的张弦梁结构跨度为126.6 m, 平行布置的单向张弦梁通过刚度很大的檩条及水平支撑构成整个屋盖系统。张弦梁的上弦梁采用倒三角形断面的空间钢管桁架, 管径分别为2457×10 (14) mm和480×8 (14, 19) mm。空间钢管桁架上弦两根管中心距离为3 m等宽, 跨中矢高为3 m, 端部矢高为2 m。腹杆采用168×6 (9) mm和237×9 mm的钢管。竖向撑杆为333355××88 mmmm的的钢钢管管。。屋屋面面檩檩条条采采用用焊焊接接HH型型钢钢, , 截截面面为为HH550000××200×10×16。水平支撑采用219×6.5 mm的钢管。除拉索外, 其他构件采用国产Q345-B低合金钢;索直径为165 mm, 由3377的钢丝加工而成, 材料为国产高强冷拔镀锌钢丝, 设计强度为1 570 MPa, 极限承载力为2 000 t。张弦空间桁架通过铸钢节点简支在钢筋混凝土柱上 (高端为固定铰支座, 低端为滑动支座) , 结构跨度为126.6 m, 桁架两端高差为3.2 m。

3 有限元数值计算

3.1 参数定义

准确的有限元模型是正确分析结构动力特性的关键[3,4], 而KK型相贯节点采用全刚接更为合理[5]。采用Beam188梁单元、Link8杆单元、Link10单元分别模拟了上弦桁架的弦杆、屋面檩条、端部桁架弦杆;桁架腹杆、撑杆、屋面水平支撑以及下弦索。下弦索为3377的钢丝, 弹性模量用Ec表示, 保守取值为190 GPa;除索之外的材料均为Q345-B钢, 为理想弹塑性本构模型。采用mass21模拟屋面板及设备的质量。高端支座为固定铰支座, 低端支座为滑动支座。有限元分析计算模型见图1。

3.2 动力特性分析

本本文文有有限限元元分分析析时时采采用用子子空空间间迭迭代代法法[[66]], , 该方法是进行大型结构有限元计算的主要方法与最为有效的方法之一, 其可根据不同的精度要求获得体系的自振周期与振型。该方法通常用于结构频率范围难以估计, 且无法选择主自由度的情况;同时具有对初始迭代向量的选择要求不高、计算特征个数不受限制等优点。在子空间迭代法中, 前p阶频率及振型满足以下的特征方程:

其中, [K]为结构刚度矩阵;[M]为结构质量矩阵;ωi为第i阶固有频率;为振型。根据振型正交原理, 可得:

子空间迭代法通过与Ritz法结合, 使参加的振型逐渐逼近特征空间, 故可根据任意的精度求解振型。本文采用ANSYS中的雅可比共扼梯度求解器JCG[7]实现振型的求解, 获得了前16阶模态。

对于线性结构, 其在动力荷载作用下的响应可以通过各阶振型模态结果叠加而成, 因此结构动力特性分析是否合理关键在于各阶振型结果是否合理性[8]。对于大跨结构而言, 其竖向振动为其主要的控制振动模态, 也就是说模态计算的关键是获得其竖向变形模态。

4 结果分析

表1给出了前16阶自振频率结果。从表1可以看出:在前12阶振型模态中以水平向的振动为主, 究其原因主要是因为该张弦梁结构下部的撑杆和预应力索平面外约束很弱, 造成这种局部模态;整个屋盖系统的自振频率较小, 而且振型频率比较密集;对于竖向承重结构起主要控制的竖向模态从13阶开始。便于讨论, 图2给出了前4阶竖向振动模态。

从图2可以看出:屋盖竖向一阶模态为整体呈半波形;随着模态阶次提高, 钢屋盖在竖向平面内呈明显的正弦波交替出现, 类似于拱的振动模态。

通过对以上的自振周期和自振特性计算结果分析后得知:1) 大跨张弦梁结构由于水平向抗侧刚度较弱, 出现明显的局部振动模态;2) 局部模态所占能量较低, 结构主振动以竖向整体振动为主;3) 结构扭转模态出现的很少, 说明钢屋盖的抗扭刚度比较大, 具有良好的抗扭转能力。

5 结语

通过对典型大跨张弦梁结构的有限元动力特性分析, 获得了结构的前16阶自振周期及振型。从自振频率可以看出:1) 张弦梁钢屋盖竖向刚度比较弱;2) 由于设置了刚度大的檩条和水平支撑, 钢屋盖具有较高的抗扭刚度和抗侧刚度。本文采用的是有限元计算, 在模拟的过程中采用的假设与实际不完全一致, 建议对钢屋盖做现场实测, 以获得更准确的动力特性。

参考文献

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