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1、半刚性连接钢支撑框架模态分析:钢支撑框架结构的固有振动频率及振型计算分析是其整体设计必须解决的问题,进而避免外力频率和结构的固有频率相同或接近,防止共振现象的发生。本文主要运用ANSYS对二层钢支撑框架结构进行分析，介绍其主要建模过程和动力分析结果，分析结果表明钢支撑框架体系具有较大刚度，其自振频率较无支撑钢框架小。 关键词:模态分析；有限元法；钢支撑框架;半刚性 钢支撑框架体系是由纯框架体系变化而来,即以纯框架为基本结构,在房屋的纵向、横向或者其他主轴方向,根据侧力的大小,布置一定数量的垂直支撑桁架,
2、框架和垂直支撑形成支撑框架,它属于双重抗侧力结构体系,支撑桁架是第一道防线,框架是第二道防线,由于支撑斜杆一般不承担竖向荷载,所以支撑产生屈曲或破坏不会影响结构承担竖向荷载的能力,不致危及结构的基本安全要求。 然而实际结构总是受到各种动荷载的作用产生振动现象,振动会造成结构因共振或结构疲劳而破坏。随着钢支撑框架体系大规模的运用,其内部动应力的分析也越来越复杂。因此,钢支撑框架结构的固有振动频率及振型计算分析是其整体设计必须解决的问题,进而避免外力频率和结构的固有频率相同或接近,防止共振现象的发生。随着有限元理
3、论及计算机技术的发展和广泛应用,ANSYS软件能够对钢支撑框架进行有限元建模,更加全面的分析和评价钢支撑框架的动力性能,对其设计、施工、质量评定具有十分重要的意义。本文主要运用ANSYS对二层钢支撑框架结构进行分析，介绍其主要建模过程和动力分析结果[1-3]。 一、模态分析基本原理 1.模态分析定义 模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性(固有频率和振型)，即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作为其他动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析
4、。其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谱响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。模态分析在动力学分析过程中是必不可少的一个步骤。在谐响应分析、瞬态动力学分析的分析过程中均要求先进行模态分析才能进行其他步骤[4]。 模态分析主要分析结构自身的固有振动频率，尽量防止出现结构承受的载荷与其固有频率相同的状况。一旦外载荷与结构固有频率相同，必然发生共振，造成结构屈服。 典型的无阻尼模态分析求解的基本方程是经典的特征值问题： 其中，——刚度矩阵； ——第j阶棋态的振型向量(特征向量)； ——第j阶模
5、态的固有频率(4是特征值) [M]——质量矩阵。 2.ANSYS模态分析方法 ANSYS提供的模态分析方法中，常用的有子空间法、分块Lanczos法、Poic法。其中子空间法用于提取大模型的少数阶模态，它内部使用广义的Jacobi迭代算法，该方法精度高，内存要求低，存贮要求高，计算速度与分块Lanczos法相比较慢，但速度更快。该法内存要求高，存贮要求低，用于提取大模型的多阶模态；Poic法明显比前两种方法快，此法采用集中质量矩阵，特别适用于求解大模型的少数阶模态。对该框架模型分析时采用的是Lanczos
6、法。 BlockLanczos(分块兰索斯)法：分块兰索斯(BlockLanczos)法特征值求解器采用Lanczos算法，Lanczos算法是用一组向量来实现Lanczos递归计算。当计算某系统特征值谱所包含一定范围的固有频率时，采用分块兰索斯(BlockLanczos)法提取模态特别有效。求解从频率谱中间位置到高频端范围内的固有频率时的求解收敛速度和求解低阶频率时基本上一样快。求解精度高，计算速度较快，特别适用于大型对称特征值求解问题[5,6]。 二、计算模型建立 传统的关于双腹板顶底角钢的半刚性框架
7、模型一般采用Beam188单元，采用2D模型，半刚性节点采用bin弹簧单元，模型的质量集中部位采用Mass单元进行模拟。该种模型可以通过相对少的计算量得到所定义的半刚性框架的弹塑性时程分析的结果。但是其bin弹簧单元必须要定义一个初始刚度，其节点的应力应变的变化情况无法得到直观的显示。因此本文采用3-D实体建立了ANSYS有限元模型，进行计算分析。梁、柱、支撑、螺栓等构件采用Solid45模拟，端板和柱翼接触面、角钢和柱翼缘接触面、梁翼缘、腹板接触面采用TARGE170单元和CONTA174单元模拟面接触。AN
8、SYS建模过程包括材料定义，建立几何实体，X格划分、接触点定义，位移约束和预紧力施加，外加荷载的施加等。本文所建模型的尺寸为双层、单跨、单开间,跨度和开间皆为2.2m,底层和顶层层高都为1.6m[7,8]。 1.材料定义 选用多线性随动强化(MKIN)模型，弹性模量E＝2.06×1011Mpa，泊松比取为0.3，螺栓、角钢、梁、柱之间的接触一律取为0.33（注：考虑接触系数影响的模
