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玻璃自重对点式玻璃建筑柔性支承
发布时间:2014-10-13   浏览:651  

摘 要:以清华大学游泳馆点式玻璃建筑设计为背景,对点式玻璃建筑中玻璃自重对两种常用的柔性支承系
统的动力特性的影响进行了研究。对比分析了考虑玻璃自重与不考虑玻璃自重在矢跨比和拉索预应力变化时柔
性支承体系动力特性的差异。同时,对比分析了两种情况下两种常用柔性支承的风振响应的谱分析。
关键词:柔性支承;自振振型;玻璃质量;自振频率;风振响应
1 前 言
点式玻璃建筑的柔性支承主要有带压杆鱼腹式和无压杆鱼腹式两类,它们以受拉的索、杆和受压的支杆形成受力单元,质量比较小,而在实际工程应用中,点式玻璃建筑中的玻璃质量比较大,对两种柔性支承的动力特性有很大的影响。本文作者结合清华大学游泳馆点式玻璃工程实例,就玻璃质量对其柔性支承动力特性的影响进行计算分析。
2 计算模型和参数
清华大学游泳馆点式玻璃建筑柔性支承体系采用鱼腹式柔性支承,高为18m,拉索采用钢索,直径20mm,支杆采用钢杆,直径60mm,弹性模量均为2.06e-5N/mm2,支杆的间距为2m,两端简支[1]。玻璃的质量按集中质量加在相应的节点上,共有5个节点上加有玻璃的集中质量。在设计初期方案比较时选用图1所示带压杆鱼腹式柔性支承和无压杆鱼腹式柔性支承两种型式,最后采用无压杆鱼腹式柔性支承,如图1(a)所示[2~5]。本文对以上
两种柔性支承体系进行了动力特性分析,并讨论玻璃质量对其动力特性的影响。两种柔性支承的高度、拉索和支杆的材料和截面尺寸、间距等均相同带压杆鱼腹式柔性支承主压杆截面为外径150m内径130mm的圆钢管,如图1(b)所示。两类柔性支承均约束了平面外变形。在考虑集中质量基础上对矢跨比、拉索预应力对支承体系动力特性的影响进行了研究,在脉动风作用下对两类支承体系风振响应进行了谱分析。每个节点集中玻璃质量分别取0kg(不考虑玻璃质量),25~75kg(单层),75~150kg(双层),150~200kg(加厚),对夹胶玻璃不考虑胶的质量,采用ANSYS进行分析计算。

3 玻璃集中质量对支承体系自振振型和频率的影响
3·1 玻璃集中质量对无压杆柔性支承体系的影响
(1)无压杆鱼腹式柔性支承的自振振型和频率通过分析和计算可以得到无压杆鱼腹式柔性支承的各阶振型,前四阶振型如图2所示。从图中可以看出第一阶振型为反对称型,主要是剪切变形;第二阶振型为对称型,主要是弯曲变形,后面两阶振型都是弯曲变形和剪切变形的结合[6]。玻璃质量的存在对无压杆鱼腹式柔性支承的自振有很大的影响。通过分析计算得到无压杆鱼腹式柔性支承各阶振型频率随玻璃质量的变化,如图3所示。可以看出,随着玻璃质量的增加,支承体系的各阶振型的频率都有明显的降低,从而支承体系的各阶振型频率都往低频区偏移,使得支承体系更柔,对风振更敏感。


(2)预应力对无压杆鱼腹式柔性支承自振频率有较大影响改变无压杆鱼腹式柔性支承的拉索预应力,对比考虑玻璃质量和不考虑玻璃质量(170kg)两种情况,计算结果如图4所示。可以看到,随着预应力的增加,无论考虑玻璃质量与否,支承体系前三阶自振频率都有较大的增加。考虑玻璃的质量显然可以大幅度降低支承体系的各阶自振频率,使它们向低频集中。

(3)矢跨比对无压杆鱼腹式柔性支承自振频率的高频影响较大改变支承体系的矢跨比,计算结果如图5所示当不考虑玻璃质量时,支承体系前三阶自振频率较高,这时随着矢跨比的增加,前三阶自振频率都有所降低;考虑玻璃质量的支承体系前三阶自振频率较低,随着矢跨比的增加,它们的变化不大,基本上可以认为没有影响。

3·2 玻璃质量对带压杆鱼腹式柔性支承体系的影响
(1)带压杆鱼腹式柔性支承的自振振型和频率带压杆鱼腹式柔性支承的自振频率如图6所示。与无压杆鱼腹式柔性支承一样,其第一阶振型为反对称型,以剪切变形为主;第二阶振型为对称型,以弯曲变形为主;第三阶振型为对称型,仍以弯曲变形为主,同时伴随有剪切变形;第四阶振型以剪切变形为主。改变玻璃的集中质量可以得到其对带压杆鱼腹式柔性支承的影响,如图7所示。玻璃质量对支承体系自振频率的影响同样很大,质量的增加使各阶振型都有显著的减小,支承体系趋于更柔。

(2)预应力对带压杆鱼腹式柔性支承的自振频率影响很小预应力改变对带压杆鱼腹式柔性支承自振频率的影响如图8所示。可以看出,随着拉索预应力的增大,在考虑和不考虑玻璃质量两种情况下,改变拉索预应力支承体系的前三阶自振频率基本上没有什么变化。
(3)矢跨比对带压杆鱼腹式柔性支承的自振频率影响较大通过图9可以看出,随着支承体系矢跨比的增大,在考虑玻璃质量时,第一阶和第二阶振型频率变化都很小,第三阶振型频率随着矢跨比的增加有较大的增加;在不考虑玻璃质量时,第一阶振型的变化仍然很小,但是第二阶和第三阶振型的自振频率都有较大的提高。

4 支承体系风振分析中集中质量的影响脉动风荷载是风力中的动力成份,使结构产生了随机振动。风振分析采用Davenport风谱,认为水平脉动风速谱中,紊流尺度沿高度是不变的,经验公式如下[7~9]:
sv(n)=4Kv210x2n(1+x2)43(1)
式中 K值常取0·03,v10单位为m/s,n为1/s。
通过转换得到作用在柔性支承节点上的力谱:
sf(n)=16K(w10s)2x2n(1+x2)43(2)
其中 x=1200nv10,w10=v2101630。
采用公式(2)的力谱作用于柔性支承的受力节点,对柔性支承体系风振响应进行谱分析,同样,针对考虑玻璃质量与不考虑玻璃质量两种情况来分析计算。两种柔性支承风振响应的位移功率谱密度曲线如图10,11,12,13所示。可以看出,在脉动风作用下,两种柔性支承的风振响应都是一个窄带过程,振动发生在两个区域,一个是脉动风荷载的卓越频率区,一个是柔性支承体系的自振频率区,说明支承体系的风振响应既有受迫振动,又有共振。
4·1 无压杆鱼腹式柔性支承风振响应
图10为不考虑玻璃质量时无压杆柔性支承体系风振响应谱分析的功率谱密度曲线,图11为考虑玻璃质量时其功率谱密度曲线。可以看出,考虑玻璃质量的作用使功率谱密度曲线的峰值增加并向风的卓越频率区偏移,使受迫振动增强。同时,共振区出现了新的峰值,说明玻璃质量的增加使支承体系更柔,体系的风振响应加剧。

4·2 带压杆鱼腹式柔性支承风振响应
图12为不考虑玻璃质量时带压杆鱼腹式柔性支承体系风振响应谱分析的功率谱密度曲线,图13为不考虑玻璃质量时其功率谱密度曲线。同样,由于玻璃质量使支承体系的各阶振型频率降低,使得功率谱密度曲线的峰值向低频偏移,支承体系变得更柔,风振响应加剧。
5 结 论
通过以上计算和分析,对于玻璃质量在两种鱼腹式柔性支承体系的自振和风振响应的影响主要有:
(1)玻璃质量显著的降低了两种鱼腹式柔性支承体系的自振频率,使支承体系变得更柔。同时,由于玻璃质量的影响,预应力和矢跨比的改变对高频的振型影响较大。
(2)玻璃质量的作用使两种鱼腹式柔性支承风振响应功率谱密度曲线的峰值增加并向风的卓越频率区偏移,使受迫振动增强,风振响应加剧。

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