閱讀 9847 次 單層平面索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)玻璃與索網(wǎng)協(xié)同工作的動力性能研究

    本文分別進(jìn)行了索網(wǎng)模型和索網(wǎng)加玻璃模型的自振特性試驗，通過比較兩個模型的自振特性來研究玻璃對于結(jié)構(gòu)動力性能的影響。通過實測兩種模型的阻尼比探討了玻璃對于結(jié)構(gòu)阻尼的影響。   

    2．1試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

    選取的試驗?zāi)Ｐ蛻?yīng)具有較大工程實際意義，該模型下一步還要進(jìn)行振動臺試驗。考慮振動臺性能參數(shù)、節(jié)點零部件和鋼化玻璃的加工條件，確定結(jié)構(gòu)模型的外軸線尺寸為2．81 m×2．81 m，玻璃的分格為0·365 m×0．365 m，鋼化玻璃厚度為4 mm，索采用 Ф03直徑不銹鋼絞線，彈性模量為1．03×los MPa。幾何相似比λL取l：4，可確定試驗原型的參數(shù)如表1所示，試驗?zāi)Ｐ统叽缛鐖D2所示。考慮振動臺的試驗條件，試驗?zāi)Ｐ秃驮�型的加速度相似比取�?/span>1，則可確定試驗?zāi)Ｐ秃驮�型動力相似常�?shù)之間的關(guān)系如表2

表1結(jié)構(gòu)原型參數(shù)

    注：軸線，玻璃分格，厚度和索直徑單位m，彈性模量單位MPa。

    模型邊框為2．91 m×2．91 m的正方形框架，采用150 mm×8 mm的方鋼管。模型底部和振動臺鉸接，同時為保證模型的在水平方向上的剛度，分別在模型頂部的邊梁上采用銷拴連接了三道支撐，如圖3所示，支撐采用l00 mm×5 mm方鋼管，支撐的布置位置、支撐和邊框的截面需要滿足使邊框剛度對索網(wǎng)振動頻率的影響在0．5％以下。

圖2試驗?zāi)Ｐ统叽缂暗谝浑A模態(tài)測點布置

表2相似常數(shù)之間關(guān)系

圖3框架側(cè)視圖和俯視圖

    2．2試驗及加載方案

    試驗?zāi)Ｐ头譃閮煞N，索網(wǎng)模型和索網(wǎng)+玻璃模型，如圖4、圖5所示。通過比較索網(wǎng)模型和索網(wǎng)+玻璃模型的自振特性來考察玻璃對于結(jié)構(gòu)動力性能的影響。玻璃對結(jié)構(gòu)自振特性的影響可以通過比較兩個模型的頻率和振型來加以體現(xiàn)，玻璃對結(jié)構(gòu)阻尼的影響可以直接通過測量兩個模型的阻尼比獲得。框架位移通過位移計采集，其量程為±150 mm。位移、加速度和索拉力的數(shù)據(jù)通過兩臺國產(chǎn)16通道動態(tài)波譜儀采集。結(jié)構(gòu)的阻尼比采用了自由振動和正弦激振兩種方法測得，正弦激振器應(yīng)避免布置于被測振型的反彎點處，而應(yīng)布于結(jié)構(gòu)中部振型較大的位置，綜合考慮選取點8作為激振點，如圖2所示。結(jié)構(gòu)自振振型測點布置的原則是，要放置于該振型的波峰、波谷以及體現(xiàn)振型特點的部位，因此要隨著測量振型的不同而改變位置。

圖4索網(wǎng)模型

圖5索網(wǎng)+玻璃模型

三、自振特性結(jié)果分析

    考慮到單層平面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有一定的幾何非線性，其頻率和結(jié)構(gòu)的振動幅值相關(guān)，本文首先研究小振幅情況下索網(wǎng)模型和索網(wǎng)+玻璃模型的自振特性，此時結(jié)構(gòu)為線性，下一節(jié)研究大振幅情況下結(jié)構(gòu)的自振特性。小振幅下結(jié)構(gòu)的振動幅值為結(jié)構(gòu)跨度的1／250。

    本文還根據(jù)上文中提出的動力荷載作用下玻璃與索網(wǎng)的協(xié)同工作機理建立了有限元數(shù)值模型來計算兩個試驗?zāi)Ｐ偷淖哉裉匦裕�有限元模型如圖6、圖7所示。

圖6索網(wǎng)有限元模型

圖7索網(wǎng)+玻璃有限元模型

    3．1線性自振特性結(jié)果

    兩個模型第一階模態(tài)的測點布置圖，如圖2所示，分別將自由振動法和共振法測得的兩個模型的第一階模態(tài)的阻尼比、頻率和振型，同采用有限元計算得到的結(jié)構(gòu)頻率和振型進(jìn)行了比較，如表3所示。有限元計算得到兩個模型的第一階振型如圖8、圖9所示。兩個模型的自由衰減曲線如圖10、圖ll所示。從上述表中和圖中可見：兩種實測方法得到的結(jié)構(gòu)阻尼比基本一致，說明采用共振法得到的結(jié)構(gòu)阻尼比是可以滿足精度要求的，同時索網(wǎng)+玻璃模型的阻尼比遠(yuǎn)大于索網(wǎng)模型的阻尼比；索網(wǎng)+玻璃模型的頻率比索網(wǎng)模型的頻率大4．8％，玻璃剛度對于結(jié)構(gòu)的第一階模態(tài)的影響不大，兩個模型的振型差別較小；三種方法得到結(jié)構(gòu)的基頻和振型比較一致。

圖8索網(wǎng)模型第一階振型

圖9索網(wǎng)+玻璃模型第一階振型

圖10索網(wǎng)模型自由振動衰減曲線

圖11索網(wǎng)+玻璃模型自由振動衰減曲線

表3各種方法結(jié)構(gòu)第一階模態(tài)自振特性比較

    由于兩個模型的第二階模態(tài)和第三階模態(tài)、第五階模態(tài)和第六階模態(tài)、第七階模態(tài)和第八階模態(tài)、第九階模態(tài)和第十階模態(tài)的頻率較為接近，試驗只能激起第一、三、四、六、八、十階模態(tài)。兩個模型的各階振型測點布置圖相同，限于篇幅本文只列出了第三、四、六振型的測點布置圖，如圖l2～14所示。

圖12第三階模態(tài)測點布置圖

圖13第四階模態(tài)測點布置圖

圖14第六階模態(tài)測點布置圖

    表4列出了第三、四、六振型下共振方法測得索網(wǎng)+玻璃模型和索網(wǎng)模型的阻尼比、頻率和振型，并同有限元計算結(jié)果進(jìn)行了比較。而對于七、九、十一階模態(tài)則只列出了結(jié)構(gòu)的頻率和阻尼比，如表5所示。從表中可見：索網(wǎng)模型的阻尼比都在0．1％附近，和文獻(xiàn)[10]較為接近，索網(wǎng)+玻璃模型的阻尼比遠(yuǎn)大于索網(wǎng)模型的阻尼比，其阻尼比主要由玻璃提供；各階模態(tài)下索網(wǎng)+玻璃模型的頻率比索網(wǎng)模型的頻率大9．6％～l5％，玻璃附加剛度對于高階模態(tài)的影響比第一階模態(tài)明顯，主要原因是結(jié)構(gòu)的高階模態(tài)的振型曲線變化明顯，變形的曲率較大，此時玻璃的局部剛度作用會比較明顯；此外兩個模型的振型在數(shù)值上有一定差別；兩種方法得到結(jié)構(gòu)的基頻和振型比較一致，說明本文的實測結(jié)果是正確的，有限元模型能夠較好地反映結(jié)構(gòu)實際的力學(xué)性能。上述兩種模型的自振特性比較說明，玻璃+索網(wǎng)模型的阻尼主要由玻璃提供的阻尼決定，玻璃的附加剛度對于結(jié)構(gòu)高階模態(tài)的頻率有一定影響。

表4索網(wǎng)模型和索網(wǎng)+玻璃模型的第三、四、六階模態(tài)自振特性比較

表5結(jié)構(gòu)第七、九、十一階模態(tài)自振特性比較

    3．2非線性自振特性結(jié)果分析

    上節(jié)研究了小振幅情況下的索網(wǎng)模型和索網(wǎng)+玻璃模型的自振特性，本節(jié)則對大振幅情況下兩個模型的自振特性進(jìn)行了比較，此時結(jié)構(gòu)具有一定的幾何非線性，頻率和結(jié)構(gòu)的振動幅值相關(guān)。受到激振器功率的限制，共振法僅能保證索網(wǎng)+玻璃模型第一、三、四和六階振型共振時結(jié)構(gòu)振幅達(dá)到結(jié)構(gòu)跨度的1／65，其余更高階振型則遠(yuǎn)小于該值，而對于索網(wǎng)結(jié)構(gòu)則可保證前四階振型振幅達(dá)到l／50跨度。在振幅為1／65跨度時兩個模型試驗測量和有限元計算結(jié)構(gòu)前四階模態(tài)頻率和振型的比較如表6所示。有限元計算求解結(jié)構(gòu)非線性振動頻率的方法為非線性有限元時程方法，即給結(jié)構(gòu)以一定幅值的初始位移(該初始位移的分布模式和結(jié)構(gòu)的振型相同)讓結(jié)構(gòu)作無阻尼自由振動，通過結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)時程曲線直接計算出結(jié)構(gòu)的非線性振動頻率。

表6索網(wǎng)模型和索網(wǎng)+玻璃模型的結(jié)構(gòu)第一、三、四和六階模態(tài)自振特性比較

    從表中可見：兩個模型第一階模態(tài)的振型基本相同，索網(wǎng)+玻璃模型的頻率比索網(wǎng)模型的頻率大5．2％，和線性自振分析基本相同，玻璃剛度對于結(jié)構(gòu)的第一階模態(tài)的貢獻(xiàn)不大；其他各階模態(tài)下索網(wǎng)+玻璃模型的頻率比索網(wǎng)模型的頻率大l2．5％～l8．1％．玻璃附加剛度對于其他各階模態(tài)的影響比線性自振時要略微明顯，這說明結(jié)構(gòu)位移增大后，玻璃參與結(jié)構(gòu)工作程度增加，玻璃剛度對于結(jié)構(gòu)動力性能影響略有增加；兩種方法得到結(jié)構(gòu)的頻率和振型比較一致，說明本文的實測結(jié)果正確，同時有限元模型能夠較好地反映結(jié)構(gòu)的非線性力學(xué)性能。當(dāng)結(jié)構(gòu)位移從小振幅為結(jié)構(gòu)跨度l／250增加到大振幅為結(jié)構(gòu)跨度1165時，玻璃剛度對結(jié)構(gòu)動力性能影響只有略微的增加。可以認(rèn)為，非線性振動時，玻璃附加剛度對結(jié)構(gòu)動力性能的影響和線性振動時基本相同。

四、結(jié)論

    本文首先通過結(jié)構(gòu)自振特性試驗對玻璃與索網(wǎng)協(xié)同工作的動力性能進(jìn)行了研究，然后提出了動力荷載作用下玻璃與索網(wǎng)的協(xié)同工作機理，并據(jù)此進(jìn)行了相應(yīng)的理論分析，試驗結(jié)果和理論分析結(jié)果表明：

    (1)動力荷載作用下，單塊玻璃的抗彎效應(yīng)對結(jié)構(gòu)第一階模態(tài)影響較小，對結(jié)構(gòu)的高階模態(tài)影響比較明顯，主要原因是結(jié)構(gòu)高階模態(tài)的振型曲線變化明顯，局部曲率較大，此時玻璃對局部剛度影響比較明顯。

    (2)索網(wǎng)+玻璃結(jié)構(gòu)的阻尼比可達(dá)3．5％左右，遠(yuǎn)大于索網(wǎng)的阻尼比，這說明玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的阻尼比主要是由玻璃提供的，顯然這對于抑制結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的動力響應(yīng)是有利的。

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會     文徑網(wǎng)絡(luò)：呂琳琳  尹維維 編輯   文徑 審核)