1、不同的支座型式对网架结构自振特性的影响摘要：本文应用大型有限元分析软件 ANSYS 针对不同的支座型式，对网架结构进行了模态分析，通过三种模型模态响应的对比分析，得出了支座刚度对结构自振频率和振型的影响。 关键词： 支座型式、模态分析、自振频率、振型 中图分类号：TU375.4 文献标识码：A 文章编号： 引言 随着各种研究的进行，人们已经逐步认识到了上部网架结构和下部支承结构整体协同分析的合理性和必要性。而支座作为上部网架和下部支承结构的连接部位，其对结构整体性的重要性是不言而喻的。 本文应用大型分析计算软件 ANSYS 来模拟不同支座型式下的网架结构的模态分析，对比分析了不同支座型式下的网
2、架结构自振频率和振型，得到了一些具有实际应用价值的结论。 1.常用的网架支座的受力特点 要合理的模拟网架支座，首先要了解常用网架支座的受力特点，网架结构设计与施工规程提供了多种支座型式。网架规程应用指南【1】详细讨论了几种常用支座的受力特点： （1）平板压力支座。这种型式下网架在克服摩擦力后，可以沿边界法向自由移动； （2）单向弧型压力支座。这种支座是在平板压力支座下加设弧型垫板，使摩擦力进一步减小； （3）双面弧型压力支座。这种支座可沿上下弧面转动并沿上弧面微小侧移； （4）球铰压力支座。比较符合固定铰假定，不会产生侧移； （5）橡胶支座。由于橡胶垫板具有良好的剪切变形能力，因此，可产生较大
3、的水平弹性变位。 2.单元的选择和计算模型的建立 以矩形的双层正方四角锥网架为研究对象，建立计算模型时，采用Link8 单元模拟网架的杆件，采用 Beam4 单元模拟下部支承柱子。对于不同的支座型式，本文采取了以下处理来模拟： （1）平板压力支座及单面弧型压力支座，主要靠支座摩擦力将网架和下部支承连成一个整体，处于安全考虑这种摩擦力是可以忽略的，所以本文将柱顶和网架的连接点在竖向自由度进行耦合，而在水平方向平动自由度和转动自由度则进行释放来模拟这两种支座，以下称模型一。【2】 （2）双面弧型压力支座和球铰压力支座，比较符合固定铰支座，所以本文在柱顶和网架连接处将竖向位移和水平方向的位移进行耦合
4、，只保留转动性能，此为模型二。 （3）橡胶支座在边界法向纯属弹性支承，其对下部结构的水平支承作用界于以上两者之间，在计算网架时，边界法向可采用弹性支承，弹性支承刚度可用橡胶支座和下部结构的串联弹簧刚度， 【3】所以本文采用弹簧单元 COMBIN14 来模拟橡胶支座，此为模型三。 3.不同支座型式下网架模态响应分析 （1）自振频率 网架的自振频率是动力特性的一个重要参数，它直接关系到网架各个部分的刚度匹配情况。三个模型的自振频率的计算结果如图 1 所示， 有图形结果分析可得到，模型二的频率值总体大于模型一和模型三，这种差别在第 50 阶达到最大,这是由三种支座约束刚度的不同造成的，刚度大者，结构
5、的自振周期小。 随着阶数的增长，频率值也稳定的增加，而模型一和模型三的频率值增加是极不稳定的，在第 10 阶和第 50 阶出现了拐点，在 10 到 50 阶之间的频率值基本不变，呈现一个平台。这一结果说明当支座刚度较弱时，低、中频段的结构自振周期具有一定的稳定性，在地震荷载作用下，网架整体结构可以在一个状态下持续一定的时间而不发生破坏，这一点与模拟固定铰支座的模型二有很大的不同。 模型三和模型一的频率值除前三阶有较大差异外，其后各阶无论增长趋势还是各阶相应的频率值，几乎都是吻合的，相差在 5%以内，分析认为当支座水平刚度处在一个相对较弱的区间时，其刚度值大小的改变，对结构的自振周期影响很小，几
6、乎可以忽略。 模型一的频率分布密度较之模型二和模型三更加密集，而且模型一的前三个振型频率远远小于其后面的频率，说明模型一在水平荷载下极易发生大的位移而导致破坏。 （2） 振型分析 从三个模型的分析结果可以看出，支座型式的不同对网架整体空间结构的振动型式有着很大的影响。模型一与模型三的第一振型和第二振型主要是网架水平面内的刚体平动，第四振型和第五振型是竖向振动，而模型二的前两个振型是竖向振动，尤其第二个振型还伴有水平面内的侧向转动，第四和第五振型是网架平面内的平动和转动。 通过分析我们发现支座水平刚度越大，即网架和下部支承柱子的相互约束作用越强，出现竖向振动的频谱号越靠前，水平振型越不易出现，网
7、架竖向振动特性越明显。从整个网架结构体系来看，下部支承柱截面较小，柱子较高，质量又集中于柱顶，容易引起柱子横向振动，这是出现水平振型的原因。而网架本身平面内刚度较大，平面外刚度较柔，容易出现竖向振型。因此考虑整体空间工作时，当下部支承体系的横向刚度相对于网架竖向刚度较大时，将表现为竖向振动;反之则表现为水平振动。 由于下部支承柱子的侧向刚度与上部网架平面内的刚度相比较来说是很小的，在地震作用下，下部支承柱容易发生位移，致使整个结构水平振型在低频段出现，在前几个的振型中表现出整个结构刚体平移和扭转。由于前六阶振型的在地震反应中其主要作用，因此在分析网架的水平地震内力时，考虑下部支承结构的刚度是必
8、需的，它将极大地影响网架杆件的水平地震内力。 【4】 4结论 （1）支座约束刚度的不同直接影响到结构的自振周期，支座刚度大者自振周期小。 （2）当支座水平刚度处在一个相对较弱的区间时，其刚度值大小的改变，对结构的自振周期影响很小，几乎可以忽略。 （3）当支座刚度较弱时，从第十阶到第五十阶的自振频率基本不变，说明此时，网架结构在地震作用下具有一定的抗破坏能力 （4）支座水平刚度越大，出现竖向振动的频谱号越靠前，水平振型越不易出现 参考文献 网架结构设计与施工规程编制组网架结构设计与施工规程应用指南,中国建筑工业出版社 1 9 9 5 董继斌. 网架结构支座型式对房屋结构整体性能的影响 工业建筑2001 增刊 严慧，董石麟.板式橡胶支座的设计与应用研究.空间结构，l995(2) 朱一平 .正放四角锥网架与下部支承体系整体结构空间分析研究 2006。
