湖南大学硕士学位论文空间网架自振特性和地震响应分析姓名：李靖申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：汪梦甫20070412空间网架自振特性和地震响应分析 II摘 要 网架结构是一种较好的大跨度屋盖结构形式。其具有空间受力、节省钢材、空间刚度大、建筑高度小、便于工业化、定型化、建筑造型美观等优点。随着经济的发展和科学技术的不断进步，空间网架这种结构形式在建筑中的运用日益广泛。然而，由于地震等自然灾害的逐年频繁发生，如何进行网架结构的抗震设计成为人们所关心的重要问题， 所以对网架结构的地震响应研究有一定的现实意义，其结论可供工程实践借鉴。 本文的研究工作主要由以下几个部分组成： （1）对有限元理论一般原理及有限元分析软件 ANSYS 的功能、典型分析问题 的过程进行了简要的介绍，给出了确定网架有限元模型几何参数应遵循的一般原则，采用 ANSYS 有限元分析软件成功地建立了网架结构的有限元模型，其中，杆件单元采用的是 ANSYS 中的 link8 单元。 （2）给出了网架结构自由振动频率的 ANSYS 模态分析算法，阐述了模态分析 的实现过程。采用命令流的形式建立了多种网架的有限元分析模型，通过对这些网架自由振动频率的分析，得出了网架自由振动的一般规律，确定了网架自由振动频率的影响因素，研究了不同荷载、边界条件和不同跨度对网架结构自振周期的影响。 （3）阐述了利用 ANSYS 软件进行谱分析的步骤。采用振型分解反应谱法，利 用 ANSYS 软件对三个不同跨度的网架进行了地震作用研究，得出了网架结构的地震内力分布规律，并且对比分析了水平地震作用对屋面网架的影响，同时也考察了不同跨度对地震内力分布规律的影响。 （4） 采用时程分析法， 利用有限元模型对网架结构的非线性性能进行了研究。 分析了网架结构非线性动力响应规律，对比分析了线性和非线性计算结果。同时，对比分析了选取不同地震波时的地震响应结果。 关键词：网架结构；自由振动；地震作用；有限元模型；非线性分析；ANSYS 硕士学位论文 IIIAbstract Space grid is a sort of preferable roof type for long span buildings. It has the 3D transfer mode of force, save steel material, large rigidity, small building height, industrialized,constructed process, and beauty architectural sculpt. With the development of the economy and constant progress of science and technology, application of grid structures in buildings is more and more extensive. However, as earthquake disaster happen very frequently in recent years, how to perform seismic design of space grids becomes an important problem concerned. So its necessary to do some research and analysis for the response of space grid structure and the conclusions can be used as references for engineering practice. In this paper, the mainly research is made up of four parts hereinafter. At first, the finite element theory, functions of ANSYS software and typical analysis process are briefly introduced. Commonly principle of ensuring geometry parameter of space grids finite element model are given, the ANSYS is adopted to establish the space grids finite element model.In this ANSYS model, the element of LINK8 is used to simulate the element of pole. Comparison analysis between code method and ANSYS analysis method is carried out, and the results prove that the space grid finite model by using ANSYS is correct. Secondly, the analysis process of the free vibration of space grid structure by using the ANSYS is introduced. Manifold space grid finite element model are established and their free vibration calculation are finished, the general rule of space grid structure is achieved and influence factors for space grid structure are discussed，and the influence factors of different lord、boundary condition and different span are studied. Thirdly, the procedures of spectrum analysis by using the ANSYS are presented. Three space grid structures having different spans are analysed, the distribution rule of internal force of space grid under vertical earthquake and horizontal earthquake, and comparison analyze their. And the influence of span on the internal force and the display of space grid are studied. At last, the nonlinear performance of space grid structure is analyzed by using time history method. The results of linear analysis and nonlinear analysis are 空间网架自振特性和地震响应分析 IVcompared. Some suggestions are put forward. And the seismic responsibility result of different seismic wave is achieved also. Key Words：Space grid structure; Free vibration; Seismic action; Finite element model; Nonlinear analysis; ANSYS I湖湖 南南 大大 学学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密，在_年解密后适用本授权书。 2、不保密。 （请在以上相应方框内打“” ） 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 硕士学位论文 - 1 -第 1 章 绪论 1.1 引言 空间结构一直是一种备受注目的结构形式，它具有三维空间的结构形体，在荷载作用下为三向受力，呈现空间作用，结构具有明显的空间力学特性。受力均匀，可以充分发挥其材料特性，最大限度地减小对结构不利的应力集中现象。由于空间结构良好的结构特性，其被广泛地应用于大跨度结构及某些具有特殊功能要求的结构中。 在形式众多的空间结构中，网格结构是当前发展最快的结构形式。它是由多根杆件按照某种有规律的几何图形通过节点连接起来地空间杆系结构。网格结构可分为网架结构和网壳结构。当网格结构为双层或多层的平板形网格结构时，就简称为网架结构；当网格结构为单层或双层的曲面形网格结构时，就简称为网壳结构。 空间网格结构一般广泛地应用于大跨度、大柱网、大开间的体育馆、车站、影剧院、候机厅、大型商场、工业车间和仓库等建筑中，而这些建筑物往往是人群集中或配置重要设施的场所，一旦在地震时发生破坏，必然会造成重大的人身伤亡和财产损失。因此如何抵御地震灾害就成为设计中的关键问题。1976 年 7 月中国唐山大地震，所有建筑物几乎全部倒塌，在成片的瓦砾废墟中人们惊奇地发现，个别像食堂这样的空旷建筑却屹立不倒；1995 年 1 月的日本阪神地震时，强烈的地面运动过程中，对于所有的建筑物都是一次严峻的考验，但一些采用空间网格结构的大跨度体育建筑却完好无恙1。于是，人们开始发现，只要对大跨度空间结构的抗震性能进行研究，找到合理的设计方法，就可以完全保证结构在地震作用下的安全性。 1.2 网架结构的形式、优越性及其应用 1.2.1 网架结构的形式 网架结构的种类甚多，且不断有所发展创新。当前，经常遇见的主要有 15种网架，根据其组成又可划分以下四大类2。 (1)第一类是有平面桁架系组成的网架结构， 它是由平面桁架发展和演变过来的。可以认为组成这类网架结构的基本单元是网片，它由一根上弦杆、一根下弦杆、一根斜杆及两根竖杆组成。相邻的网片通过公共的竖杆连接起来，许多网片的集合便构了整个网架。 (2)第二类是由四角锥体组成的网架结构，它的基本单元是由四根弦杆、四根空间网架自振特性和地震响应分析 - 2 -斜杆构成的正四角锥体，既五面体，锥体可以顺置也可以倒置。再用上弦杆或下弦杆把相邻锥体的锥顶连接起来，就构成了网架结构。 (3)第三类是由三角锥体组成的网架结构，它的基本单元是由三根弦杆、三根斜杆所构成的正三角锥体，即四面体。三角锥体可以顺置，也可以倒置。 (4)第四类是由六角锥体组成的网架结构，它的基本单元是由六根弦杆、六根斜杆构成的正六角锥体，即七面体。这类网