點(diǎn)支式玻璃建筑單層索網(wǎng)體系的動(dòng)力特性

    點(diǎn)支式玻璃建筑單層索網(wǎng)體系是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型的柔性支承結(jié)構(gòu)體系，以其輕盈美觀、通透性好等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。單層索網(wǎng)體系屬于柔性張拉結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的幾何非線(xiàn)性。但它施加預(yù)應(yīng)力前沒(méi)有剛度，結(jié)構(gòu)形狀也不確定，必須施加預(yù)應(yīng)力后才能承受荷載，因此其受力特性在很大程度上依賴(lài)于所施加的預(yù)應(yīng)力。目前針對(duì)該結(jié)構(gòu)的理論和試驗(yàn)研究滯后于工程實(shí)踐，國(guó)內(nèi)的部分學(xué)者結(jié)合一些實(shí)際工程(主要是索析架)進(jìn)行了一定的試驗(yàn)研究，介紹了相關(guān)的施工工藝。但專(zhuān)門(mén)針對(duì)這類(lèi)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究較少，在動(dòng)力特性方面的研究更少。

    本文對(duì)新保利大廈二期單層索網(wǎng)體系1:1a的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了動(dòng)力特性試驗(yàn)，測(cè)定索網(wǎng)在三級(jí)預(yù)應(yīng)力下的頻率，研究單層索網(wǎng)的頻率和預(yù)應(yīng)力之間的關(guān)系，以及加玻璃后結(jié)構(gòu)頻率的變化。

    １．試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c試驗(yàn)設(shè)備
　　1. 1試驗(yàn)?zāi)Ｐ?BR>　　 結(jié)合新保利大廈二期工程單層索網(wǎng)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)，按照1: 10的比例在清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)室建成一輪廓尺寸為9m X6m單層索網(wǎng)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ�，如圖1所示。整個(gè)結(jié)構(gòu)由支承鋼框架、索網(wǎng)和地梁等組成。

    支承鋼框架高11.04m，由140mm X3mm和80mm X2.5mm方鋼管、25b槽鋼和50mm X4mm角鋼焊接而成。索網(wǎng)尺寸為8.6m X5.5m，是一個(gè)由兩根斜主索和通過(guò)不銹鋼拉桿與其相連的索網(wǎng)共同支承而形成的三折面體系，如圖2所示。

    索網(wǎng)主要構(gòu)件的材料屬性如表1所示。地梁采用混凝土整體澆注而成。

    1.2 試驗(yàn)設(shè)備
　　試驗(yàn)中索的預(yù)應(yīng)力采用BH R一型電阻應(yīng)變荷重傳感器監(jiān)測(cè)，動(dòng)力試驗(yàn)主要裝置為H P 3562A動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀，B&K 　　　　　2635型電荷放大器，以及B & K 4366型壓電晶體加速度傳感器。

    2 ． 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)步驟
　　2．1 動(dòng)力特性試驗(yàn)方法
　　本文采用ANSYS分別計(jì)算索網(wǎng)在三級(jí)預(yù)應(yīng)力(將預(yù)應(yīng)力分三級(jí)逐級(jí)施加，其中滿(mǎn)應(yīng)力狀態(tài)為:主索1,2的內(nèi)力分別為48 kN、32kN，水平及豎索內(nèi)力基本為5. 4 kN)和加玻璃狀態(tài)下的自振頻率及振型。根據(jù)結(jié)構(gòu)在各種預(yù)應(yīng)力下有限元分析結(jié)果，在其前三階振型的非常大位移點(diǎn)周?chē)贾脺y(cè)點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)定工況(限于篇幅，不一一列出)。

    圖3

　　圖3所示為一級(jí)預(yù)應(yīng)力時(shí)的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)布置方案，選擇圖中標(biāo)注的A1(A2)、B1(B2)、C1(C2)節(jié)點(diǎn)作為傳感器布置點(diǎn)，對(duì)該方案設(shè)計(jì)了種測(cè)定工況，如表2所示。

    試驗(yàn)的激振方式為初速度法，本試驗(yàn)即采用錘擊法施加初速度，錘擊點(diǎn)選擇位置及編號(hào)如圖3和表2所示，通過(guò)加速度傳感器和電荷放大器將測(cè)試信號(hào)送入動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀進(jìn)行分析，分析頻率帶寬取62.5Hz。

　　2.2動(dòng)力特性試驗(yàn)步驟
　　1))分別在各工況的測(cè)點(diǎn)位置按照傳感器的安裝要求，在索節(jié)點(diǎn)上安裝加速度傳感器，如圖4所示;

    2))將傳感器通過(guò)專(zhuān)項(xiàng)使用導(dǎo)線(xiàn)與電荷信號(hào)放大器相連接，電荷放大器的輸出端與動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀相連接;
　　3))按照各工況設(shè)計(jì)的錘擊點(diǎn)對(duì)索網(wǎng)施加初始擾動(dòng);
　　4)將實(shí)測(cè)信號(hào)送入H P3562A動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀進(jìn)行分析，并讀取自振頻率值。

    3．試驗(yàn)結(jié)果及比較分析

    3. 1試驗(yàn)曲線(xiàn)

    將通過(guò)H P3502A測(cè)到的結(jié)果數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，先經(jīng)L IF軟件轉(zhuǎn)為D0 S文件，然后通過(guò)63T0SDF軟件轉(zhuǎn)換為SD F文件，較后用V正W DATA軟件讀取數(shù)據(jù)文件，根據(jù)每種工況的結(jié)果選取如圖5所示的典型功率譜曲線(xiàn)(縱坐標(biāo)S (f)為加速度功率譜有效值開(kāi)方取對(duì)數(shù)處理后的值，橫坐標(biāo)f5為分析帶寬頻率)進(jìn)行分析，提取索網(wǎng)的前三階自振頻率。

    3.2自振特性的有限元分析

    3.2- 1有限元模型

    采用大型有限元分析計(jì)算軟件ANSYS該單層索網(wǎng)進(jìn)行模態(tài)分析。如圖6所示，模型中主索及水平索采用了三維只拉單元linkl0單元，拉索則采用壓link8單元。

    為了便于簡(jiǎn)化計(jì)算，在采用ANSYS進(jìn)行分析時(shí)，將索網(wǎng)與鋼框架的連接視為固定端，只對(duì)索網(wǎng)進(jìn)行分析。

    3.22模態(tài)分析方法

    柔性支承結(jié)構(gòu)的剛度主要來(lái)源于桿件的初始預(yù)應(yīng)力，而且索又是一種幾何非線(xiàn)性較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，因此，在模態(tài)分析時(shí)必須考慮這兩方面的影響。

    有限元分析中索的預(yù)應(yīng)力靠設(shè)置初應(yīng)變來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文先根據(jù)試驗(yàn)各級(jí)預(yù)應(yīng)力的實(shí)際加載情況，初設(shè)一組應(yīng)變值，然后反復(fù)調(diào)節(jié)直至模型中各索的內(nèi)力基本滿(mǎn)足相應(yīng)的試驗(yàn)實(shí)測(cè)值，將調(diào)好的這組應(yīng)變值進(jìn)行模態(tài)分析，主要步驟分為兩步:

    1))進(jìn)行幾何大變形的靜力分析;

    2)修正結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)行包含預(yù)應(yīng)力影響的模態(tài)分析，讀取自振頻率及相應(yīng)振型。

　　3.23有限元結(jié)果的提取

    通過(guò)以上的有限元分析提取索網(wǎng)的自振頻率及相應(yīng)振型。圖7為一級(jí)預(yù)應(yīng)力時(shí)的前兩階振型模態(tài)圖，前面所述的試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)工況就是根據(jù)這些結(jié)果設(shè)
計(jì)的。

    3.3索網(wǎng)自振頻率的比較分析

    圖8該單層索網(wǎng)在各級(jí)預(yù)應(yīng)力下頻率試驗(yàn)和有限元計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，其中橫坐標(biāo)F表示量綱一化的預(yù)應(yīng)力，縱坐標(biāo)fo為自振頻率。

    從圖8中可以看出，理論與試驗(yàn)值的變化趨勢(shì)很相似，試驗(yàn)值皆位于有限元計(jì)算結(jié)果以上，兩者相差1. 01%～11. 330%，有限元計(jì)算中將索的支承視為固定未考慮支承鋼架的影響，這也是兩者存在差異的原因之一。

    索網(wǎng)的頻率基本隨索內(nèi)預(yù)應(yīng)力的增加而呈弱非線(xiàn)性增長(zhǎng)，并且隨著頻率階次的增加，曲線(xiàn)形狀逐漸由向上凹的趨勢(shì)增加。這表明，盡管索網(wǎng)是幾何大變形結(jié)構(gòu)，但其頻率隨預(yù)應(yīng)力的變化并未表現(xiàn)出明顯的非線(xiàn)性性質(zhì);低階頻率隨預(yù)應(yīng)力的增長(zhǎng)速度小于高階頻率的相應(yīng)增長(zhǎng)速度，即高階頻率與預(yù)應(yīng)力之間的非線(xiàn)性性質(zhì)更明顯。

    為了研究玻璃對(duì)索網(wǎng)剛度的影響，本文還測(cè)定了加玻璃后索網(wǎng)的頻率，并與相應(yīng)的有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如表3所示，其中ft、ff分別為試驗(yàn)測(cè)得頻率和有限元計(jì)算得到的頻率值。

    從表3可以看出如下規(guī)律。
　　1)安裝玻璃前后索網(wǎng)頻率的有限元計(jì)算值與試驗(yàn)值均比較接近，試驗(yàn)值比有限元計(jì)算值大2.86%一10. 18%，兩者吻合較好，表明有限元模型比較符合實(shí)際結(jié)構(gòu)。
　　由于采用ANSYS建模時(shí)對(duì)玻璃和索節(jié)點(diǎn)連接方式采用了3個(gè)方向的平動(dòng)禍合，而實(shí)際結(jié)構(gòu)玻璃與索網(wǎng)的連接采用了駁接式金屬連接件，加上玻璃尺寸較小，連接件尺寸相對(duì)非常大，對(duì)玻璃交點(diǎn)有較強(qiáng)的約束作用，因此實(shí)際結(jié)構(gòu)玻璃參與的作用更大，對(duì)索網(wǎng)的剛度貢獻(xiàn)更大，因此本文認(rèn)為，這是試驗(yàn)值高于有限元計(jì)算結(jié)果的原因之一。
　　2)從試驗(yàn)值可以看出，安裝玻璃后結(jié)構(gòu)的各階頻率分別降低了34.852%、29.816%、26.988%，且降低幅度隨模態(tài)階數(shù)的遞增而減小。這表明由于玻璃的存在，結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量同時(shí)增長(zhǎng)，但玻璃質(zhì)量的影響超過(guò)了其剛度的作用，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的頻率下降。本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭胁Ａеg未打玻璃膠，使玻璃不能發(fā)揮整體的協(xié)同作用，這也是其剛度效應(yīng)不夠顯著的原因之一。

    4．結(jié)論
　　1)索網(wǎng)低階頻率隨預(yù)應(yīng)力基本呈線(xiàn)性性質(zhì)，它隨預(yù)應(yīng)力的增長(zhǎng)速度大于高階頻率的相應(yīng)增長(zhǎng)速度，即高階頻率與預(yù)應(yīng)力之間的非線(xiàn)性性質(zhì)更明顯。
　　2)安裝玻璃后結(jié)構(gòu)的頻率迅速降低，這是由于玻璃的存在，結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量同時(shí)增長(zhǎng)，但玻璃質(zhì)量的影響超過(guò)了其剛度的作用，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的頻率下降。
　　3)有限元計(jì)算值與試驗(yàn)值均比較吻合，驗(yàn)證了理論計(jì)算模型的合理性。