大跨網(wǎng)架課程設(shè)計--網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的有限元建模及分析

1、<p><b>　　大跨網(wǎng)架課程設(shè)計</b></p><p>　　題 目 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的有限元建模及分析</p><p>　　專業(yè)班級 </p><p>　　學(xué)生姓名 </p><p>

2、;　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　完成時間 2012年10月 8日 </p><p>　　網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的有限元建模及分析</p><p><b>　　1.概述2</b></p><p>　　2. 工程概況、基本假定和有限元建模2</p&g

3、t;<p>　　2.1 工程概況3</p><p>　　2.2 荷載設(shè)定3</p><p><b>　?。?）永久荷載3</b></p><p><b>　　（2）可變荷載3</b></p><p><b>　?。?）溫度作用3</b></p>

4、;<p><b>　?。?）地震作用3</b></p><p>　　2.3 基本假設(shè):3</p><p>　　2.4 有限元建模4</p><p>　　2.4.1網(wǎng)架選型4</p><p>　　2.4.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格尺寸及高度的選擇4</p><p>　　3. 結(jié)構(gòu)靜力

5、性能分析6</p><p>　　3.1 靜力荷載組合及計算6</p><p>　　3.2 建模與計算7</p><p>　　4. 校核球節(jié)點9</p><p>　　5．參數(shù)變換對網(wǎng)架受力的影響的分析10</p><p>　　5.1 網(wǎng)架支承形式變化10</p><p>　　6. 網(wǎng)架

6、靜力分析12</p><p>　　7. 網(wǎng)架動力分析13</p><p>　　7.1 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析13</p><p>　　7.2 結(jié)構(gòu)自振周期和陣型質(zhì)量參與系數(shù)15</p><p>　　7.3 結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析15</p><p>　　7.4 結(jié)構(gòu)時程分析16</p><p>　　8

7、．MIDAS軟件校核18</p><p><b>　　9. 總結(jié)19</b></p><p>　　網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的有限元建模及分析</p><p><b>　　概述</b></p><p>　　本篇小論文主要圍繞《大跨空間結(jié)構(gòu)》葉老師所給的已知條件進(jìn)行網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的建模，變換不同的參數(shù)（如網(wǎng)架形式，支承條

8、件等）進(jìn)行對比分析，從而得到一些結(jié)論。本文的思路大致如下：首先利用Autocad軟件進(jìn)行網(wǎng)架建模，選擇三種網(wǎng)架進(jìn)行對比分析，分別是：正交正放桁架型網(wǎng)架，斜放四角椎網(wǎng)架，抽空四角椎網(wǎng)架。利用有限元計算軟件SAP2000對比分析出這三種中最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式，選擇其作為之后的對比分析的對象。第二部分是利用先前的最優(yōu)模型，變換支承條件（四邊固支，兩邊鉸接兩邊橡膠墊支座，四邊鉸接）進(jìn)行對比分析，從而得出結(jié)論。為確定SAP2000計算的準(zhǔn)確性，選定前者的

9、一種分析模式導(dǎo)入MIDAS再進(jìn)行分析，對比兩者的結(jié)果，加強(qiáng)分析的準(zhǔn)確度。</p><p>　　2. 工程概況、基本假定和有限元建模</p><p><b>　　2.1 工程概況</b></p><p>　　給定40m×40m的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。桿件截面為圓鋼管，鋼管采用Q235鋼，可供選擇的圓鋼管型號為Ф48×3.0、Ф60

10、5;3.0、Ф76×3.8、Ф89×4.0、Ф114×4.0、Ф159×6.0、Ф168×6.0，選擇其中的2~3種。采用焊接空心球節(jié)點，可供選擇的焊接球有Ф100、Ф150、Ф200、Ф250、Ф300、Ф350、Ф400，選擇其中的1~2種。約束類型全為剛性約束?？拐鹪O(shè)防烈度為8度。支承方式、網(wǎng)格形式、尺寸及荷載條件自定。軟件選擇自定。</p><p><

11、;b>　　2.2 荷載設(shè)定</b></p><p><b>　?。?）永久荷載</b></p><p>　　屋面恒載：0.60 kN/m2(含屋面板、擦條、天窗，不含網(wǎng)架自重)</p><p><b>　?。?）可變荷載</b></p><p>　　可變荷載有以下幾種：</p

12、><p>　　屋面活載：0.50 kN/m2</p><p><b>　　雪載</b></p><p>　　基本雪壓：0.45 kN/m2</p><p>　　屋面活載與雪載不同時組合，取二者最大值，。</p><p><b>　　風(fēng)荷載</b></p><p

13、>　　基本風(fēng)壓: 0.45kN/m2</p><p><b>　?。?）溫度作用</b></p><p>　　對于跨度大于40m的大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮溫度作用。溫度作用作為可變荷載，其荷載分項系數(shù)為1.3。</p><p><b>　?。?）地震作用</b></p><p>　　《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)

14、計與施工規(guī)程》JGJ7—91規(guī)定：</p><p>　　在抗震設(shè)防烈度為8度的地區(qū)，網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行豎向抗震驗算。對于周邊支承的中小跨度網(wǎng)架可不進(jìn)行水平抗震驗算。</p><p>　　網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在地震作用下的內(nèi)力分析采用反應(yīng)譜法。選取反應(yīng)譜函數(shù)Chinese2002 spectrum，抗震設(shè)防烈度8度，地震加速度0.2g，建筑場地類別III類，反應(yīng)譜特征周期0.4s，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.025

15、。</p><p><b>　　2.3 基本假設(shè):</b></p><p>　　(1) 網(wǎng)架的每個節(jié)點均為空間剛結(jié)點，每個節(jié)點沒有自由度;</p><p>　　(2) 荷載作用在網(wǎng)架節(jié)點上，桿件只承受軸向力;</p><p>　　(3) 支座處簡化為彈性元件;</p><p>　　(4) 不考慮下

16、部框架結(jié)構(gòu)剛度對網(wǎng)架的影響。</p><p><b>　　圖1 網(wǎng)架形式圖</b></p><p><b>　　2.4 有限元建模</b></p><p><b>　　2.4.1網(wǎng)架選型</b></p><p>　　《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》JGJ7—91規(guī)定：</p&g

17、t;<p>　　網(wǎng)架的選型應(yīng)結(jié)合工程的平面形狀和跨度大小、支撐情況、荷載大小、屋面構(gòu)造、建筑設(shè)計等要求綜合分析確定。網(wǎng)架桿件布置必須保證不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)幾何可變情況。</p><p>　　平面形狀為矩形的周邊支承網(wǎng)架，當(dāng)其邊長比1.5時，宜選用斜放四角錐網(wǎng)架、棋盤形四角錐網(wǎng)架、正放抽空四角錐網(wǎng)架、兩向正交斜放網(wǎng)架、兩向正交正放網(wǎng)架、正方四角錐網(wǎng)架。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計條件

18、和規(guī)范規(guī)定，先采用周邊支承的三種網(wǎng)架：正交正放四角錐網(wǎng)架、斜放四角椎網(wǎng)架、正放抽空四角錐網(wǎng)架，對三種網(wǎng)架進(jìn)行綜合比較，確定最經(jīng)濟(jì)的方案，再對選定的方案進(jìn)行變參，如網(wǎng)格尺寸、高度、支承等，比較它們的應(yīng)力比、撓度、用鋼量、自振特性、振動響應(yīng)等。</p><p>　　2.4.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格尺寸及高度的選擇</p><p>　　《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》JGJ7—91規(guī)定：網(wǎng)架的網(wǎng)格尺寸和高度

19、可根據(jù)網(wǎng)架形式、跨度大小、屋面材料以及構(gòu)造要求和建筑功能等因素確定。對于周邊支撐的以下各類網(wǎng)架，可按下表1選用。</p><p>　　表1 網(wǎng)架的上弦網(wǎng)格數(shù)和跨高比</p><p>　　注：（1）L2為網(wǎng)架短向跨數(shù)，單位為m；（2）當(dāng)跨度在18m以下時，網(wǎng)格數(shù)可適當(dāng)減少。</p><p>　　最終我們選擇網(wǎng)格數(shù)為8×8，網(wǎng)格尺寸即為5m×5m。高

20、度選擇為2.5m。利用Autocad進(jìn)行正交正放四角錐網(wǎng)架、斜放四角椎網(wǎng)架、正放抽空四角錐網(wǎng)架三種網(wǎng)架的建模，如下圖所示：</p><p>　　圖2 正放抽空四角錐網(wǎng)架</p><p>　　圖3 斜放四角椎網(wǎng)架</p><p>　　圖4 正交正放桁架型網(wǎng)架</p><p>　　3. 結(jié)構(gòu)靜力性能分析</p><p>　

21、　3.1 靜力荷載組合及計算</p><p>　　網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的荷載和作用主要有永久荷載、可變荷載、溫度作用和地震作用。作用在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上的永久荷載包括網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、屋面結(jié)構(gòu)、吊頂、設(shè)備等材料自重?？勺兒奢d包括屋面活荷載、雪荷載、積灰荷載、風(fēng)荷載以及懸掛吊車荷載，其中雪荷載和屋面活荷載不必同時考慮，取較大值。溫度作用是指由于溫度變化，使網(wǎng)架桿件產(chǎn)生附加溫度應(yīng)力，必須在計算和構(gòu)造措施中加以考慮。</p><

22、;p>　　本文設(shè)計計算過程中，遵循了目前我國正在使用的規(guī)范及規(guī)定，如《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》、《建筑抗震設(shè)計》、《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》等。計算分析了結(jié)構(gòu)幾種組合工況下的結(jié)構(gòu)性能，具體如下:</p><p><b>　　表2 荷載組合</b></p><p>　　其中，D：恒載； L： 屋頂均布活荷載； Wx：風(fēng)荷載； Wy：風(fēng)荷載； Ex：水平地震

23、作用；Ey：水平地震作用； Exy：雙向水平地震作用； Ez：豎向地震作用； Tu：升溫30℃作用； Td：降溫30℃作用。</p><p><b>　　3.2 建模與計算</b></p><p>　　在Autocad中建立結(jié)構(gòu)的三維模型，另存為dxf文件, 接著導(dǎo)入SAP2000中計算。在SAP2000程序中建立結(jié)構(gòu)的整體模型，在上述荷載組合下進(jìn)行內(nèi)力分析和截面設(shè)計

24、。通過控制應(yīng)力比和撓度選擇合適的桿件截面。</p><p>　　大部分應(yīng)力比控制在0.8以下，跨中撓度< L/250。</p><p>　　圖5 正放抽空四角錐網(wǎng)架撓度圖</p><p>　　圖6 斜放四角椎網(wǎng)架撓度圖</p><p>　　圖7 正交正放桁架型網(wǎng)架撓度圖</p><p>　　表3 三種網(wǎng)架形式參數(shù)

25、的比較</p><p>　　比較以上三種方案，正放抽空四角錐網(wǎng)架網(wǎng)架用鋼量最大并且撓度也較大，故不選用，對于正交正方桁架型網(wǎng)架和正交斜放四角錐網(wǎng)架，前者用鋼量較小但撓度過大，后者用鋼量稍大但撓度很小。綜合考慮用鋼量和撓度兩個標(biāo)準(zhǔn)，正交斜放四角錐網(wǎng)架較為經(jīng)濟(jì)且最安全，故選用正交斜放四角錐網(wǎng)架。</p><p><b>　　4. 校核球節(jié)點</b></p>

26、<p>　　焊接空心球的外徑與壁厚之比宜取25~45；空心球壁厚與主鋼管壁厚之比宜取1.5~2.0;空心球外徑與主鋼管外徑之比宜取2.4~3.0；空心球壁厚不宜小于4mm。</p><p>　　當(dāng)焊接空心球直徑為160到900mm時，其受拉和受壓承載力設(shè)計值NR可按下式計算:</p><p>　　式中：D——空心球外徑，mm；d——圓鋼管的外徑，mm；</p>&l

27、t;p>　　t——空心球壁厚，mm；f——鋼材的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，N/mm2;</p><p>　　ηd——加肋承載力提高系數(shù)，受壓空心球加肋取1.4，受拉空心球加肋取1.1。</p><p>　　腹桿取Ф114×4.0，最大軸力為119.139KN。上下弦桿受力相對較小。</p><p><b>　　帶入腹桿的數(shù)據(jù)：</b>&l

28、t;/p><p><b>　　簡化得：</b></p><p>　　按空心球外徑與主鋼管外徑之比宜取2.4~3.0，則空心球外徑取300mm，壁厚取4mm。</p><p><b>　　得到承載力設(shè)計值：</b></p><p>　　故最終確定網(wǎng)架焊接空心球外徑為300mm，壁厚為4mm。</p&

29、gt;<p>　　5．參數(shù)變換對網(wǎng)架受力的影響的分析</p><p>　　5.1 網(wǎng)架支承形式變化</p><p>　　控制其他參數(shù)不變，只對支承形式進(jìn)行變換，分析不同支承對結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形的影響。</p><p>　　圖8 四邊固支撓度示意圖</p><p>　　圖9 四邊鉸支座撓度示意圖</p><p>

30、;　　圖10 兩邊鉸支座，兩邊簡支座</p><p>　　圖11 四邊固支應(yīng)力示意圖（綠色桿件應(yīng)力比0.581）</p><p>　　圖12 四邊鉸支應(yīng)力示意圖（綠色桿件應(yīng)力比0.582）</p><p>　　圖13兩邊鉸支座，兩邊簡支座應(yīng)力示意圖（綠色桿件應(yīng)力比為0.6）</p><p>　　表5 網(wǎng)架支承形式變化的比較</p>

31、<p>　　結(jié)論：通過比較可以發(fā)現(xiàn)，兩邊鉸支座，兩邊簡支座撓度最大且支座附近大應(yīng)力腹桿較多，四邊固支撓度略小且支座附近大應(yīng)力腹桿較少，四邊鉸支座撓度最小且大應(yīng)力腹桿較少，故取四邊較支座最合適。</p><p><b>　　6. 網(wǎng)架靜力分析</b></p><p>　　恒載、活載及風(fēng)荷載作用下網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的靜力受力特點如圖：</p><p

32、><b>　　圖14 恒載軸力圖</b></p><p><b>　　圖15 活載軸力圖</b></p><p><b>　　圖16 風(fēng)載軸力圖</b></p><p>　　結(jié)論：恒載作用下，上弦桿在靠近支座處承受較大的拉力，靠近跨中處承受較大的壓力；下弦桿全部承受拉力，且越靠近跨中拉力越大；斜

33、腹桿受力較為復(fù)雜，拉桿壓桿交錯。如上圖所示。</p><p>　　活荷載作用下網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的受力規(guī)律與恒荷載作用下相同。</p><p>　　風(fēng)荷載作用下網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的受力規(guī)律也與恒荷載作用下相似，但桿件拉壓受力情況正好相反。</p><p><b>　　7. 網(wǎng)架動力分析</b></p><p>　　7.1 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析<

34、;/p><p>　　列出前四階的主要陣型，如下圖所示：</p><p><b>　　圖17 陣型1</b></p><p><b>　　圖18 陣型2</b></p><p><b>　　圖19 陣型3</b></p><p>　　7.2 結(jié)構(gòu)自振周期和陣型

35、質(zhì)量參與系數(shù)</p><p>　　選取前12階模態(tài)，自振周期與陣型質(zhì)量參與系數(shù)見表所示。</p><p>　　表6 結(jié)構(gòu)前12階模態(tài)的自振周期和陣型質(zhì)量參與系數(shù)</p><p>　　7.3 結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析</p><p>　　圖20 豎向地震作用下的軸力圖</p><p>　　圖21 豎向地震作用下的變形圖</p

36、><p>　　在豎向地震作用下，所有桿件的最大內(nèi)力均為拉力，且遠(yuǎn)小于恒載、活載、風(fēng)載和溫度作用下的內(nèi)力。同時，桿件的變形撓度非常小，僅為182mm，說明豎向地震對網(wǎng)架的影響較小。</p><p>　　7.4 結(jié)構(gòu)時程分析</p><p>　　地震波的峰值一定程度上反映了地震波的強(qiáng)度，因此要求輸入結(jié)構(gòu)的地震波峰值應(yīng)與設(shè)防烈度要求的多遇地震或罕遇地震的峰值相當(dāng)，否則應(yīng)按下式

37、對該地震波的峰值進(jìn)行調(diào)整:</p><p>　　其中，和分別為地震波時程曲線與峰值，取設(shè)防烈度要求的多遇或罕遇地震的地面運動峰值；A(T)和分別為原地震波時程曲線與峰值。</p><p>　　表8時程分析所用地震加速度時程的最大值（cm/s2）</p><p>　　擬采用elcentro波、taft波、tianjin波。elcentro波峰值400 cm/s2,峰值

38、調(diào)整系數(shù)70/400=0.175。taft波峰值400 cm/s2,峰值調(diào)整系數(shù)70/400=0.175。tianjin波峰值400.0129 cm/s2,峰值調(diào)整系數(shù)70/400.0129=0.175</p><p>　　圖22 tianjin波時程函數(shù)</p><p>　　根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈性時程分析時，計算結(jié)果的平均基底剪力值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的8

39、0%，每條地震波輸入的計算結(jié)果不應(yīng)小于65%,當(dāng)取三組加速度時程曲線輸入時,計算結(jié)果宜取時程法的包絡(luò)值和振型分解反應(yīng)譜法的較大值；當(dāng)取七組及七組以土的時程曲線時，計算結(jié)果可取時程法的平均值和振型分解反應(yīng)譜法的較大值。</p><p>　　本組考察了網(wǎng)架在豎向地震作用（U3）下的反應(yīng)譜分析，對比結(jié)果，時程分析選取tianjin波的計算結(jié)果均能滿足規(guī)范規(guī)定，其他兩條的分析結(jié)果與反應(yīng)譜法相差很大，不能符合要求。<

40、/p><p>　　圖23 tianjin波作用下的變形圖</p><p>　　8．MIDAS軟件校核</p><p>　　將上述斜放四角椎網(wǎng)架模型導(dǎo)入MIDAS軟件進(jìn)行分析</p><p>　　圖24 MIDAS建模信息</p><p>　　得出位移撓度圖如下圖所示：</p><p>　　圖25 M

41、IDAS建模變形圖</p><p>　　將其與SAP2000分析的位移撓度圖進(jìn)行對比：</p><p>　　圖26 SAP2000變形圖</p><p>　　可以不難看出，斜放四角椎網(wǎng)架的撓度最大值均發(fā)生在中部，并且MIDAS分析的位移撓度最大值為87.6mm，與SAP2000的90.6mm相差不大。亦可以比較出內(nèi)力，振型，周期等（太冗長，不再列出）?？梢缘贸鼋Y(jié)論：

42、SAP2000建模與MIDAS建模所得的數(shù)據(jù)吻合度很高。即此次模擬的數(shù)據(jù)可以肯定具有一定的可信度。</p><p><b>　　9. 總結(jié)</b></p><p>　?。?）平面形狀為矩形的周邊支承網(wǎng)架，當(dāng)其邊長比1.5時，宜選用斜放四角錐網(wǎng)架、棋盤形四角錐網(wǎng)架、正放抽空四角錐網(wǎng)架、兩向正交斜放網(wǎng)架、兩向正交正放網(wǎng)架、正方四角錐網(wǎng)架。</p><p

43、>　?。?）在所選的三種網(wǎng)架中，正交正放桁架系網(wǎng)架用鋼量較大且撓度接近最大，故不選用，對于正放抽空四角錐網(wǎng)架和正交斜放四角錐網(wǎng)架，前者用鋼量和撓度皆比后者大，所以選擇正交斜放四角錐網(wǎng)架。</p><p>　　（3）通過比較可以發(fā)現(xiàn)，兩邊鉸支座，兩邊簡支座撓度最大且支座附近大應(yīng)力腹桿較多，四邊固支撓度略小且支座附近大應(yīng)力腹桿較少，四邊鉸支座撓度最小且大應(yīng)力腹桿較少，故取四邊較支座最合適。</p>

44、<p>　　（4）恒載作用下，上弦桿在靠近支座處承受較大的拉力，靠近跨中處承受較大的壓力；下弦桿全部承受拉力，且越靠近跨中拉力越大；斜腹桿受力較為復(fù)雜，拉桿壓桿交錯。活荷載作用下網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的受力規(guī)律與恒荷載作用下相同。風(fēng)荷載作用下網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的受力規(guī)律也與恒荷載作用下相似，但桿件拉壓受力情況正好相反。</p><p>　　（5）對于周邊支承的中小跨度網(wǎng)架，可不考慮水平地震的影響，在豎向地震作用下，所有桿件的

45、最大內(nèi)力均為拉力，且遠(yuǎn)小于恒載、活載、風(fēng)載和溫度作用下的內(nèi)力，撓度也非常小，只有5.3mm，說明豎向地震對網(wǎng)架的影響相對較小。</p><p>　?。?）由于地震的不確定性，對于同一建筑結(jié)構(gòu)，輸入不同的地震波計算結(jié)果可能會差別很大，因此在選用地震波時一定注意選擇與場地類別相符的地震波，時程分析具有很大的離散型和不確定性。</p><p>　?。?）整體建模后結(jié)構(gòu)的剛度變小，周期變長。并且由

46、于支座條件的差異，結(jié)構(gòu)各條傳力路徑上所受的力受到影響，出現(xiàn)一定程度的桿件內(nèi)力重分布。具體表現(xiàn)為梁上支座附近的桿件有明顯的卸荷作用，而柱上支座附近的桿件內(nèi)力增大，這是由于支座剛度不同引起?？梢匀菀椎贸觯荷现ё椭现ё戳ο嗖蠲黠@。從計算結(jié)果來看，柱上支座反力一般兩倍于梁上支座。比起原來各自都相同的理想鉸支情況，這種支座的差異可以體現(xiàn)在與支座相連的傳力路徑上所分擔(dān)的力重新分布，受力小的路線對受力大的路線有約束作用，從而調(diào)動了結(jié)構(gòu)的空間協(xié)