小知識：氣柜結構模態分析

2.1.1 氣柜結構有限元模型 
華東某 30 萬 3m大型氣柜筒體直徑為 62.68m，高度為 110.10m，設置 32 根 H300 型鋼立柱，帶肋壁板采用 7mm 厚鋼板。頂蓋高 6.81m，32 根經向主肋為槽鋼[28a；10 道槽鋼環向主肋（外側 2 道[28a，中間 2 道[22a，內側 ,6 道[18a）；頂蓋中央環梁為 H300型鋼。經向次肋為角鋼 L80x6；蓋板為 4mm 鋼板?；诠こ虒嵗?，筒體的立柱、環梁和頂蓋骨架均采用 Beam188 梁單元模擬，筒體壁板和頂蓋板采用 Shell181 殼單元模擬。各構件之間均采用綁定約束，筒體底部的立柱與壁板均為三向固定約束。圖 2.1 為氣柜結
在 ANSYS 建模中，單元的選擇至關重要。氣柜加勁殼體分析中所用主要單元如下： 
1）氣柜頂蓋和筒體的薄殼選用 Shell181 單元 
Shell181 殼單元能夠很好地模擬薄至中等厚度的殼形結構。每個節點具有六個自由度（x、y、z 方向的平動、繞 x、y、z 軸的轉動），適用于線性、大角度轉動和非線性大應變的問題。在單元范圍內支持完全和減縮的積分方法，能很好地解決計算中收斂困難的問題。 

2）梁、柱以及加勁肋選用 Beam188 單元 
Beam188 是三維線性或二次梁單元。每個節點有六個或者七個自由度，自由度的個數取決于 KEYOPT(1)的值。當 KEYOPT(1)=1 時，每個節點有六個自由度，并引入橫截面的翹曲作為其第七個自由度。此單元能很好地解決線性、大角度轉動及非線性大應變等問題，并且可以采用 scctype、sccdata、sccoffsct、sccwrite 及 sccread 定義梁的橫截面，準確定位梁截面的方向，真實模擬加勁肋的截面特性及相對于薄殼的偏心位置。 氣柜采用 Q235B 鋼材，ANSYS 有限元分析中將材料的本構關系設置為理想彈塑性，選用的雙線性等向強化模型（TB,BISO）。 

2.1.2 氣柜結構模態分析 
對圖 2.1 所示的氣柜筒體有限元模型運用子空間迭代法（subspace）進行模態計算，提取前 800 階模態，絕大多數均為板件的局部振動。針對氣柜的六道走道環梁，找到相對應的前 6 階主振型，分別在第 40、135、283、412、512 和 620 步，見圖 2.2。 
由圖可見： 
（1）第 1 階振型以頂蓋和第 6 道環梁水平方向平動為主，氣柜沿高度變形的變化較為一致，略呈現彎曲型變形。 
（2）第 2 階振型以水平方向平動為主，在氣柜高度中點附近出現一個反彎點，頂蓋與基底之間呈現剪切型變形；并且頂蓋局部出現豎向振動。 
（3）第 3~6 階振型仍以水平方向平動為主，分別出現 2~5 個反彎點，環梁之間呈現剪切型變形；同時氣柜的轉動變形也變大，頂蓋整體豎向振動也越來越強烈。 
（4）氣柜結構各階水平變形較大的位置均位于或接近走道環梁所在之處，故走道的設置對筒體的高階振型有一定的影響。 
通過對氣柜結構的前 6 階振型進行分析表明：結構的第 1 和第 2 階振型相對簡單明確，模態階次越高自振特性越復雜，氣柜結構的模態振型表現為多種振動形式的疊加。 
各階振型圖從直觀的方面反映結構的剛度分布，自振頻率從數值的方面反映了結構的剛度狀況。該 6 階的自振頻率見表 2.1。各階模態自振頻率變化如圖 2.3 所示。 從表 2.1 和圖 2.3 中可以看出氣柜結構的基頻相對較高，因此該結構具有較好的剛度；從基頻到第四階結構頻率增加較快,第四階以后結構頻率增長相對緩慢一些?；l決
定著結構是否易于遭受某種頻率外荷載的共振破壞，因此在氣柜筒體結構地震響應計算時，應主要考慮低階振型的影響和彎剪組合變形的性質，忽略高階各振型間的相關性。