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基于ANSYS的高层钢结构抗震及稳定性分析共3篇基于ANSYS的高层钢结构抗震及稳定性分析1基于ANSYS的高层钢结构抗震及稳定性分析随着城市化进程的不断加快，建筑高度和层数不断增加，高层建筑的结构安全问题越来越受到人们的关注。
而地震是高层建筑结构安全的关键因素之一，抗震设计成为高层建筑结构设计的重点之一。
而对于钢结构而言，钢材的高强度、可塑性好、适应性强等特点，使得钢结构成为高层建筑结构的重要选择。
本文将以基于ANSYS的高层钢结构为对象，探讨其抗震及稳定性分析。
1. 建立高层钢结构有限元模型在进行高层钢结构的抗震及稳定性分析前，需要先通过ANSYS 等有限元软件建立高层钢结构的有限元模型。
建立模型需要考虑高层钢结构的结构特点和工程实际情况，确定结构参数、节点分布及约束情况。
2. 高层钢结构抗震分析地震对高层建筑结构的影响主要体现在地震作用下建筑结构内部产生的地震应力和滞回曲线等。
因此，在进行高层钢结构的抗震分析时，需要考虑其受到的地震作用，分析结构内力和变形等参数。
首先，需要进行地震作用下钢结构模型的动力特性分析。
在这一步中，可以使用ANSYS中的模态分析功能，以得到结构在不同模态下的自然频率和振型。
其次，根据钢结构在地震作用下的动力特性，进行地震反应谱法抗力设计。
地震反应谱是描述结构在不同频率下受到地震作用时的反应的一种方法，可以分析结构受到的地震作用下的最大位移、加速度和力等参数。
对于高层钢结构，可以通过ANSYS中的响应谱分析功能进行计算。
最后，通过引入钢结构弹塑性性能纳入分析中，能够更加精准地分析高层钢结构在地震作用下的受力性能。
3. 高层钢结构稳定性分析高层钢结构的稳定性是结构设计或构件设计中必须考虑的重要问题。
高层钢结构结构体系复杂，其极限状态的稳定性较低。
在进行高层钢结构的稳定性分析时，需对结构进行屈曲分析，以了解梁和柱在地震作用下的稳定性。
在进行屈曲分析时，需要先得到高层钢结构构件的稳定系数。
大跨空间网壳结构地震响应分析及振动控制研究大跨空间网壳结构地震响应分析及振动控制研究地震是地球上最常见的自然灾害之一，它给人们的生命和财产造成了巨大的威胁。
在城市化的进程中，越来越多的大型建筑和桥梁出现，这些结构对地震响应要求越来越高。
在这些结构中，大跨空间网壳结构具有独特的特点和广泛的应用前景。
本文将分析大跨空间网壳结构地震响应，并探讨如何进行有效的振动控制。
大跨空间网壳结构是一种由薄壳结构构成的大型建筑形式，它的特点是结构自重轻、刚度较低、荷载均匀分布、抗地震性能较好。
由于其独特的形态与性能，大跨空间网壳结构广泛应用于体育馆、会展中心等场所，为人们提供宽敞的空间和良好的观赏效果。
在地震发生时，大跨空间网壳结构会受到地震波的影响，发生振动。
地震波的传播导致结构的非线性振动响应，可能引起结构的破坏。
因此，准确分析大跨空间网壳结构地震响应，对于结构设计和抗震性能评价具有重要意义。
首先，本文将对大跨空间网壳结构进行动力学分析。
动力学分析是利用弹性力学和结构动力学原理，研究结构在地震荷载作用下的振动行为。
通过对结构的模型建立、地震波加载以及计算方法的选择，可以得出结构在不同地震波作用下的振动特性。
接着，本文将对大跨空间网壳结构的地震响应进行数值分析。
数值分析是通过计算机模拟结构的地震反应，得到结构的位移、速度和加速度等参数。
基于数学模型和数值求解算法，可以得到结构的地震响应时程曲线和频谱特性。
最后，本文将讨论大跨空间网壳结构的振动控制方法。
振动控制是通过采取一定的措施，减小结构的振动反应，从而提高结构的抗震性能。
常见的振动控制方法包括结构加固、阻尼器安装以及主动控制等。
通过对不同振动控制方法的研究，可以选择合适的控制方式，保证大跨空间网壳结构在地震中的安全性能。
综上所述，大跨空间网壳结构地震响应分析及振动控制是一个具有挑战性和实用价值的研究课题。
通过对大跨空间网壳结构地震响应的分析和振动控制的研究，可以为结构设计和抗震性能评价提供科学依据，保障人们的生命财产安全。
大跨网架屋面建筑结构的风致振动李琛1,杨赐2,李宇21.长安大学建筑学院,西安7100642.长安大学公路学院,旧桥检测与加固技术交通行业重点试验室,西安710064摘要：依托某工程实例,通过风洞试验测得结构的风压系数时程,利用ANSYS 参数化设计语言编制了能够精确求解大跨柔性网架屋面的风振系数及等效静风荷载的程序,将风压系数时程转化为相应的面荷载向量并加载至有限元模型,研究了大跨柔性网架屋面结构的风致振动.结果表明,60°、180°和270°为大跨网架屋面结构的最不利风向角,应注意这几个风向角的抗风设计.大跨网架屋面的四周屋檐和两条相互垂直的中线,都是风致振动较大的位置,应采取抗风加固措施.关键词：大跨柔性网架;风洞试验;风致振动;有限元中图分类号：U442.5文献标识码：A 文章编号:0455-2059(2016)06-0838-06DOI:10.13885/j.issn.0455-2059.2016.06.018Wind-induced vibration for long-span truss roofLi Chen 1,Yang Ci 2,Li Yu 21.School of Architecture,Chang'an University,Xi'an 710064,China;2.Key Laboratory of Ministry of Communications for Bridge Detection and Reinforcement Technology,School of Highway,Chang'an University,Xi'an 710064,China Abstract:Based on one engineering example,a wind tunnel test was carried out to obtain the wind pres-sure time-history curves.And ANSYS parametric design language was also used to compile one program to calculate the wind-induced vibration coefficients and static wind equivalent load.Thus,wind pressure could be converted into area load that was applied in finite element analysis model to study wind-induced vibration of a long-span truss roof.The following conclusions have been obtained:60°,180°and 270°are the worst wind attack angles attention to which should be paid to in a wind-resistant design.Great wind-in-duced vibration mostly occurs in the eave and two perpendicular midcourt lines which should be reinforced.Key words:long-span flexible rack;wind tunnel test;wind-induced vibration;finite element analysis收稿日期：2015-05-11修回日期：2016-10-14基金项目：国家自然科学基金项目(51408042);陕西省自然科学基金项目(2014JQ7253)作者简介：李琛(1986-),女,陕西汉中人,讲师,e-mail:306387188@,研究方向为建筑设计与风景园林规划;李宇(1982-),男,福建福州人,副教授,博士,e-mail:liyu@,研究方向为结构抗震及抗风,通信联系人.兰州大学学报:自然科学版,2016,52(6)/12月Journal of Lanzhou University ：Natural Sciences ，2016，52(6)/December随着大跨度柔性网架屋面结构在全国各地的兴建,其风致振动问题已成为当前的研究热点[1].在风场中的网架屋面结构,一般处于大气边界层底部,其风场环境复杂(风速梯度和风场紊流度都比较大).该类结构具有自重轻、柔性大、阻尼小、自振频率低且密集等特点,对风荷载十分敏感,由此产生的风致振动将会导致屋面结构的破损.Davenport [2]在研究高层建筑等效静力风荷载时提出了阵风荷载因子法;周岱等[3]开展了大跨空间结构风振响应及其计算与试验方法的研究;沈世钊[4]阐述了大跨度屋盖结构风工程研究的新进展;Simiu [5]提出了计算超高层建筑的等效静力风荷载的新方法;Solari [6]对结构横风向的风致振动及其计算方法进行了研究;Kasperski [7]在对线性和非线性结构的风振响应进行研究时,提出计算最大分布风荷载方法;陆锋等[8-10]以大跨度平屋面和大跨度单层球面网壳为工程实例,研究了该类结构的风振响应及系数,并进行了刚性模型的风洞实验,提出了计算此类结构风振系数的多阶模态力法;李璟等[11]开展了针对大跨度索膜屋盖结构风振系数的研究,并提出了相应的计算方法.国家规范规定[12-13]:跨度大于36m 的柔性屋盖结构,应考虑风压脉动对结构产生的风振影响.因此,风振系数和等效静力风荷载成为联系大跨网架屋面结构抗风研究和结构抗风设计的桥梁.现行《建筑结构荷载规范2012》[12]难以确定合理的设计值,因此本研究以某大跨网架屋面结构为工程实例,将风洞试验与有限元计算相结合以计算结构风振系数和等效静力风荷载.1风压系数的风洞试验测量首先进行某大跨网架屋面结构的风洞试验以测得结构风压系数,进而为结构风振系数及其等效静力风荷载的计算提供必要的基础数据.1.1工程概况如图1所示,某大跨柔性网架屋面结构为钢筋混凝土框架结构,其屋面大范围为网架轻柔结构(跨度为39m×47m,采用100mm 厚的发泡聚苯乙烯(expanded polystyrene,EPS)彩钢夹芯板),具有质量轻、柔性大、小阻尼、自振频率低等特点,属于风敏感性结构.图1某大跨柔性网架屋面结构Fig.1One long-span flexible rack1.2实验方法如图2所示,风洞试验在长安大学风洞实验室CA-1大气边界层风洞中进行.试验模型为刚体模型(几何缩尺比为1/50),具有足够的强度和刚度,试验风速取12m/s,此风速下模型不会发生破坏并且不出现振动,保证了测量的精度.实验场地取C 类地貌风场,0°~345°每隔15°定义为一个风向角,共24个试验工况.模型分16个区域进行测压,共387个单面测压点(屋檐、屋顶和屋面中心等风振敏感位置共156个关键点,房屋竖直向为Y 、水平纵向为X 、水平横向为Z ).测压信号采样频率为312Hz,采样时间间隔约为3ms,每个测点采样样本总长度为9000个数据(约30s).图2风洞试验Fig.2Wind tunnel test1.3风压系数测量结果通过风洞试验可得到不同风向角下各测点的脉动风压系数.以下列出部分关键测试结果(图3),其他数据参考文献[14].大跨柔性网架屋面结构的风压系数随关键测点(1号为屋面左上角、43号为屋面上半部的中心、84号为屋面右边线的中点)位置的变化而变化的幅度较大,且不同风向角(同一测点所对应的0°、45°、90°风向角)对同一测点的风压值也有显著影响.在得到上述测试结果后,采用大型有限元软件ANSYS 进行大跨网架屋面风振系数和等效静力风荷载的计算.2风振系数的计算2.1大跨柔性网架屋面结构的有限元模型为计算大跨柔性网架屋面结构的风振系数及等效静力风荷载,需要先建立结构的有限元模型.本研究根据网架屋面的特点及设计方提供的设计方案,在保证其质量和刚度与实际结构一致的前提下,采用大型有限元软件ANSYS 建立了网架屋面的有限元模型.建模过程为:采用三维空间梁单元Beam4来模拟空间网架(由桁架结构组成);采用Beam4单元来模拟主檩、次檩、立柱、主梁;采用三维弹性壳单元Shell63来模拟大跨柔性网架李琛，等：：大跨网架屋面建筑结构的风致振动839屋面(采用100mm 厚的EPS 彩钢夹芯板)、墙面和楼面板;采用MASS21单元来考虑螺栓球(总质量达7437kg)的影响,进而将其转换为附加在网架节点上的等效质量,并附加在相应的网架节点上.建立的有限元模型如图4所示.图4有限元模型Fig.4Finite element analysis model2.2风振系数的计算方法建筑结构的风振系数定义为“总风荷载的概率统计值与静风荷载的概率统计值的比值”[12],其中:总风荷载包括平均风荷载和脉动风荷载两部分.由于该荷载的风振系数是针对高耸结构(以第1振动模态为主)提出的,因此对于自振频率分布密集的大跨柔性网架屋面结构采用文献[12]计算所得的风振系数将会出现较大误差,即不同构件间的风振系数存在较大的离散性,因此很难用统一的风振系数来表述整个结构的风振响应特征.由于动力荷载可以转为静荷载与动力效应的乘积,其动力效应可表示为:位移风振系数和内力风振系数.有研究表明[2-8]:位移风振系数在大跨柔性网架屋面结构上分布比较均匀,而在采用位移风振系数取代规范中的荷载风振系数后,所得到的计算内力基本一致,仍然可以按照荷载规范所采用的公式进行结构风荷载的计算.在此基础上,本研究利用风压系数计算出对应于50a 一遇的基本风压的面荷载向量,并加载至网架屋面的每个面单元上,分别计算出脉动风与图3风压系数时程Fig.3Wind pressure time-history curve兰州大学学报:自然科学版,2016,52(6)840平均风产生的结构位移响应R s 和R d ,并根据风振系数的定义,计算出各关键节点的位移风振系数:βz =1+R d /R s .(1)2.3计算结果分析依据(1)式,得到了不同风向角(0~345°,以15°为增量,共计24个工况)作用下的156个关键点的位移响应风振系数,绘制了部分关键节点的风振系数随风向角而变化的趋势图(图5),从中可以发现:60°、180°和270°为大跨网架屋面结构的最不利风向角,此时结构的风振系数较大,即结构的脉动风致振动响应的峰值较大,应特别注意这几个风向角的抗风设计;对于大跨网架屋面结构,其四周屋檐边缘的风振系数较其他位置的偏大,即屋檐四周的结构风致振动很容易被放大而导致破损,因此应对大跨网架屋面的屋檐四周进行加固.本研究给出了最不利风向角(60°)时关键点的风致振动响应时程(图6),从中可以看出:大跨网架屋面的两条相互垂直的中线上的关键点的风致振动是由外向内递增,而且其数值远高于两条中线外的其余关键点,因此应对大跨网架屋面的两条中线上的关键点采取抗风加固措施,以使结构更加稳固.3等效静力风荷载的计算如能用一组静力荷载施加在大跨网架屋面结构上,使其产生的结构响应恰好与按照随机振动法计算得到的结构各处位移或者内力响应的极值相符,此组静力荷载就是等效静力风荷载.文献[12]第8.1.1条:垂直于建筑表面上的风荷载标准值为W k =βz μs μz ωo .(2)其中,W k 为风荷载标准值(kN/m 2);βz 为高度Z 处的风振系数;μs 为风荷载体型系数;μz 为风压高度变化系数;ωo 为基本风压(kN/m 2),对于50a 一遇的基本风压ωo =0.35kN/m 2.按照(2)式计算了对应于50a一遇的基本风图5各关键点的风振系数随风向角的变化Fig.5Effect of wind angles on wind-induced vibration coefficients of some critical test points李琛，等：：大跨网架屋面建筑结构的风致振动841压,0~345°风向角的大跨网架屋面5~10区的等效静力风荷载(表1).由表1可见,当风向角为60°~90°、135°~255°时,5区受风荷载的影响较大;当风向角为60°、135°~225°时,6区受风荷载的影响较大;当风向角为60°、150°~210°时,7区受风荷载的影响较大;当风向角为0~15°、315°~345°时,8区受风荷载的影响较大;当风向角为0~60°、330°~345°时,9区受风荷载的影响较大;当风向角为0~75°时,10区受风荷载的影响较大.4结论由于大跨网架屋面结构自身特点及其所处的复杂的风场环境,目前的《建筑结构荷载规范2012》[12]难以确定其合理的风振系数及其等效静力风荷载.本研究将风洞实验与有限元分析相结合计算了大跨网架屋面结构的风振响应、风振系数和等效静力风荷载等.对于大跨网架屋面结构,60°、180°和270°为其最不利风向角,此时结构的风振系数较大,应注图6最不利风向角(60°)所对应的各关键点风振响应Fig.6Wind-induced vibration response of some critical test points with the worst wind angle(60°)表15~10区的等效静力风荷载Table 1Static wind equivalent load of 5~10part2兰州大学学报:自然科学版,2016,52(6)842意这几个风向角的抗风设计;大跨网架屋面的四周屋檐和两条相互垂直的中线,都是风致振动较大的地方,应对这些地方采取抗风加固措施,以使结构更加稳固.参考文献[1]Clough R W,Penzien J.结构动力学[M].王光远,译.北京:科学出版社,1981.[2]Davenport A G.Gust loading factors[J].Journal ofStructural Division,1967,93(3):11-34.[3]周岱,舒新玲,周笠人.大跨空间结构风振响应及其计算与试验方法[J].振动与冲击,2001,21(4):7-13. [4]沈世钊.大跨度屋盖结构风工程研究新进展[C]//第12届结构风工程学术会议论文集,西安:长安大学出版社,2005:4,31-36.[5]Simiu E.Equivalent static wind loads for tall buildingsdesign[J].Journal of Structures Division,ASCE,1976, 102(4):19-37.[6]Solari G.Analytical estimation of the alongwind responseof structures[J].Journal of Wind Engineering and Indus-trial Aerodynamics,1983,14(3):467-477.[7]Kasperski M.Extreme wind load distributions for linearand nonlinear design[J].Engineering Structures,1992, 14(6):27-34.[8]陆锋,楼文娟,孙炳楠.大跨度平屋面的风振响应及风振系数[J].工程力学,2002,19(2):52-57.[9]楼文娟,杨毅,庞振钱.刚性模型风洞试验确定大跨屋盖结构风振系数的多阶模态力法[J].空气动力学学报, 2005,23(2):183-187.[10]李庆祥,楼文娟,杨仕超,等.大跨单层球面网壳的风振系数及其参数分析[J].建筑结构学报,2006,27(4): 65-72.[11]李璟,韩大建.大跨度索膜屋盖结构的风振系数研究[J].振动与冲击,2009,28(5):153-159.[12]GB50009-2012.建筑结构荷载规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.[13]GB50017-2003.钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003.[14]西安咸阳国际机场二期扩建工程:西安公司用房及训练场风洞试验[R].西安:长安大学风洞试验室,2013.(责任编辑:张勇)李琛，等：：大跨网架屋面建筑结构的风致振动843。
第１９卷第２期Ｊ：程山学Ｖｏｌｌ９Ｎｏ２竺：三』旦文章编号：１０００－４７５０（２００２）０２．０５２－０６！翌２些！型２些皇竺窒墅！：坠大跨度平屋面的风振响应及风振系数陆锋，楼文娟，孙炳楠｛浙江太学土木系．杭州３１００２７）摘要：本文在有限元分析的基础上建立了大跨度平屋面结构在风荷载作用下的Ｍ振响应谱分析方法．并采用Ｄａｖｅｎｐｏｒｔ谱和由风洞试验得到的屋盖表面的平均风压分布系数计算了屋面的风振响应及风振系数。
文中还深入探讨了屋面刚度、来流风速及风向等参数对太跨度平屋面竖向风振响应及风振系数的影响。
计算表明：①大跨度平尾面的竖向风振响应丰要是由第一振型所支配，高阶振型对属面板竖向风振响应的影响很小；②屋面刚度及来流风速对人跨度平屋面的轻向风振响应影响比较大，但对位移风振系数的影响不太明显：③在工程设计中，建议粟用位移风振系数来计算大跨度平屋面的等效静力风荷载。
关键词：大跨度平屋面；有限元；谱分折方法；风振响应：风振系数中图分类号：ＴＵ３ＩＩ．３文献标识码：Ａ１前言对于风流场中的屋面结构．由于在檐角处出现本文的主要目的是结合有限元方法推导出大跨度平屋面结构在风荷载作用下的风振响应谱分析方法；然后采用Ｄａｖｅｎｐｏｒｔ谱和由风洞试验得到的屋盖表面的平均风压分布系数来计算这种屋面的风振响应及风振系数：最后通过讨论屋面刚度、来流风速及风向等参数对大跨度平屋面竖向风振响应及风振系数的影响，得出～些有益的结论，为进一步深入研究奠定基础。
来流附面层的分离而引起复杂的绕流现象以及作用在屋面结构上的气动力的复杂性，使得它常常成为风工程研究的主要对象。
许多研究者对某些特定外形的屋面风荷载进行了研究，并做了大量的风洞试验，例如：双坡屋面…、四坡屋面１２１、有女儿墙的平屋面ｐＪ、弧状屋面Ｈ１及柱形和球形屋面【５Ｉ等。
由于这些屋面的跨度相对较小，因此这些屋面基本上可以认为是刚性屋面。
然而，随着屋面跨度的增加，屋面的柔性及风荷载下的动力效应就不容忽视。
第23卷 第2期空气动力学学报Vol.23,No.2 2005年06月ACTA AERODYNAMICA SINICA Jun.,2005文章编号:0258 1825(2005)02 0183 05刚性模型风洞试验确定大跨屋盖结构风振系数的多阶模态力法楼文娟,杨 毅,庞振钱(浙江大学土木系,杭州 310027)摘 要:风流经过大跨屋面时,由于气流分离在屋面的大部分区域产生强大的吸力,并引起柔性屋面结构的振动,因此大跨屋面结构抗风设计需考虑风振响应和风振系数。
本文根据振型迭加原理,提出了利用刚性模型风洞试验确定大跨度柔性屋盖结构风振响应和风振系数的多阶模态力法,并推导了风振响应和风振系数的计算公式。
该方法可以考虑高阶振型的贡献。
通过与气动弹性模型风洞试验结果以及直接时程法相对比,发现多阶模态力法能够得出令人满意的结果。
关键词:风洞试验;大跨屋盖;风振响应;风振系数;多阶模态力法中图分类号:V211.7 文献标识码:A0 引 言在结构抗风设计中,通常把风荷载表示为平均风压与风振系数的乘积,因此风振系数是结构抗风设计的关键数据。
我国现行的建筑结构荷载规范(GB50009 2001)只给出了计算高层(高耸)结构顺风向风效应的风振系数的简化估算方法,这一方法是基于准定常假设的。
但作用于大跨度柔性屋盖的脉动风荷载主要由气流分离所产生,不满足准定常假设[1],因而基于准定常假设的风振系数计算方法不再适用。
迄今为止,对大跨度屋盖的风振响应和风振系数的研究尚较缺乏,我国现行规范也未作出任何规定。
屋面结构风振响应的计算难度在于没有明确的风载模型,有些研究依然采用准定常假设来确定作用于屋面上的脉动风载,其计算结果存在较大误差。
一般认为,气动弹性模型风洞试验是确定大跨度屋盖风振响应和风振系数的较为准确的方法,然而气动弹性模型风洞试验十分昂贵,并且其准确性取决于气动参数相似性的满足程度,因此气动弹性模型风洞试验不是一种常用的方法。
