半剛性連接鋼支撐框架模態(tài)分析

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1、半剛性連接鋼支撐框架模態(tài)分析:鋼支撐框架結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率及振型計(jì)算分析是其整體設(shè)計(jì)必須解決的問題,進(jìn)而避免外力頻率和結(jié)構(gòu)的固有頻率相同或接近,防止共振現(xiàn)象的發(fā)生。本文主要運(yùn)用ANSYS對二層鋼支撐框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，介紹其主要建模過程和動(dòng)力分析結(jié)果，分析結(jié)果表明鋼支撐框架體系具有較大剛度，其自振頻率較無支撐鋼框架小?！　￡P(guān)鍵詞:模態(tài)分析；有限元法；鋼支撐框架;半剛性　　　　鋼支撐框架體系是由純框架體系變化而來,即以純框架為基本結(jié)構(gòu),在房屋的縱向、橫向或者其他主軸方向,根據(jù)側(cè)力的大小,布置一定數(shù)量的垂直支撐桁架,

2、框架和垂直支撐形成支撐框架,它屬于雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系,支撐桁架是第一道防線,框架是第二道防線,由于支撐斜桿一般不承擔(dān)豎向荷載,所以支撐產(chǎn)生屈曲或破壞不會影響結(jié)構(gòu)承擔(dān)豎向荷載的能力,不致危及結(jié)構(gòu)的基本安全要求。　　然而實(shí)際結(jié)構(gòu)總是受到各種動(dòng)荷載的作用產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象,振動(dòng)會造成結(jié)構(gòu)因共振或結(jié)構(gòu)疲勞而破壞。隨著鋼支撐框架體系大規(guī)模的運(yùn)用,其內(nèi)部動(dòng)應(yīng)力的分析也越來越復(fù)雜。因此,鋼支撐框架結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率及振型計(jì)算分析是其整體設(shè)計(jì)必須解決的問題,進(jìn)而避免外力頻率和結(jié)構(gòu)的固有頻率相同或接近,防止共振現(xiàn)象的發(fā)生。隨著有限元理

3、論及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,ANSYS軟件能夠?qū)︿撝慰蚣苓M(jìn)行有限元建模,更加全面的分析和評價(jià)鋼支撐框架的動(dòng)力性能,對其設(shè)計(jì)、施工、質(zhì)量評定具有十分重要的意義。本文主要運(yùn)用ANSYS對二層鋼支撐框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，介紹其主要建模過程和動(dòng)力分析結(jié)果[1-3]。　　一、模態(tài)分析基本原理　　1.模態(tài)分析定義　　模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性(固有頻率和振型)，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它們是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。同時(shí)，也可以作為其他動(dòng)力學(xué)分析問題的起點(diǎn)，例如瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析和譜分析

4、。其中模態(tài)分析也是進(jìn)行譜分析或模態(tài)疊加法譜響應(yīng)分析或瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析所必需的前期分析過程。模態(tài)分析在動(dòng)力學(xué)分析過程中是必不可少的一個(gè)步驟。在諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的分析過程中均要求先進(jìn)行模態(tài)分析才能進(jìn)行其他步驟[4]?！　∧B(tài)分析主要分析結(jié)構(gòu)自身的固有振動(dòng)頻率，盡量防止出現(xiàn)結(jié)構(gòu)承受的載荷與其固有頻率相同的狀況。一旦外載荷與結(jié)構(gòu)固有頻率相同，必然發(fā)生共振，造成結(jié)構(gòu)屈服?！　〉湫偷臒o阻尼模態(tài)分析求解的基本方程是經(jīng)典的特征值問題：　　　　其中，——?jiǎng)偠染仃?；　　——第j階棋態(tài)的振型向量(特征向量)；　　——第j階模

5、態(tài)的固有頻率(4是特征值)　　[M]——質(zhì)量矩陣。　　2.ANSYS模態(tài)分析方法　　ANSYS提供的模態(tài)分析方法中，常用的有子空間法、分塊Lanczos法、Poic法。其中子空間法用于提取大模型的少數(shù)階模態(tài)，它內(nèi)部使用廣義的Jacobi迭代算法，該方法精度高，內(nèi)存要求低，存貯要求高，計(jì)算速度與分塊Lanczos法相比較慢，但速度更快。該法內(nèi)存要求高，存貯要求低，用于提取大模型的多階模態(tài)；Poic法明顯比前兩種方法快，此法采用集中質(zhì)量矩陣，特別適用于求解大模型的少數(shù)階模態(tài)。對該框架模型分析時(shí)采用的是Lanczos

6、法?！　lockLanczos(分塊蘭索斯)法：分塊蘭索斯(BlockLanczos)法特征值求解器采用Lanczos算法，Lanczos算法是用一組向量來實(shí)現(xiàn)Lanczos遞歸計(jì)算。當(dāng)計(jì)算某系統(tǒng)特征值譜所包含一定范圍的固有頻率時(shí)，采用分塊蘭索斯(BlockLanczos)法提取模態(tài)特別有效。求解從頻率譜中間位置到高頻端范圍內(nèi)的固有頻率時(shí)的求解收斂速度和求解低階頻率時(shí)基本上一樣快。求解精度高，計(jì)算速度較快，特別適用于大型對稱特征值求解問題[5,6]。　　二、計(jì)算模型建立　　傳統(tǒng)的關(guān)于雙腹板頂?shù)捉卿摰陌雱傂钥蚣?/p>

7、模型一般采用Beam188單元，采用2D模型，半剛性節(jié)點(diǎn)采用bin彈簧單元，模型的質(zhì)量集中部位采用Mass單元進(jìn)行模擬。該種模型可以通過相對少的計(jì)算量得到所定義的半剛性框架的彈塑性時(shí)程分析的結(jié)果。但是其bin彈簧單元必須要定義一個(gè)初始剛度，其節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變的變化情況無法得到直觀的顯示。因此本文采用3-D實(shí)體建立了ANSYS有限元模型，進(jìn)行計(jì)算分析。梁、柱、支撐、螺栓等構(gòu)件采用Solid45模擬，端板和柱翼接觸面、角鋼和柱翼緣接觸面、梁翼緣、腹板接觸面采用TARGE170單元和CONTA174單元模擬面接觸。AN

8、SYS建模過程包括材料定義，建立幾何實(shí)體，X格劃分、接觸點(diǎn)定義，位移約束和預(yù)緊力施加，外加荷載的施加等。本文所建模型的尺寸為雙層、單跨、單開間,跨度和開間皆為2.2m,底層和頂層層高都為1.6m[7,8]。　　1.材料定義　　選用多線性隨動(dòng)強(qiáng)化(MKIN)模型，彈性模量E＝2.06×1011Mpa，泊松比取為0.3，螺栓、角鋼、梁、柱之間的接觸一律取為0.33（注：考慮接觸系數(shù)影響的模