大跨網架課程設計--網架結構的有限元建模及分析

1、<p><b>　　大跨網架課程設計</b></p><p>　　題 目 網架結構的有限元建模及分析</p><p>　　專業(yè)班級 </p><p>　　學生姓名 </p><p>

2、;　　指導教師 </p><p>　　完成時間 2012年10月 8日 </p><p>　　網架結構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 荷載設定3</p><p><b>　?。?）永久荷載3</b></p><p><b>　?。?）可變荷載3</b></p><p><b>　　（3）溫度作用3</b></p>

4、;<p><b>　?。?）地震作用3</b></p><p>　　2.3 基本假設:3</p><p>　　2.4 有限元建模4</p><p>　　2.4.1網架選型4</p><p>　　2.4.2 網架結構的網格尺寸及高度的選擇4</p><p>　　3. 結構靜力

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>　　5．參數變換對網架受力的影響的分析10</p><p>　　5.1 網架支承形式變化10</p><p>　　6. 網架

6、靜力分析12</p><p>　　7. 網架動力分析13</p><p>　　7.1 結構模態(tài)分析13</p><p>　　7.2 結構自振周期和陣型質量參與系數15</p><p>　　7.3 結構反應譜分析15</p><p>　　7.4 結構時程分析16</p><p>　　8

7、．MIDAS軟件校核18</p><p><b>　　9. 總結19</b></p><p>　　網架結構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《大跨空間結構》葉老師所給的已知條件進行網架結構的建模，變換不同的參數（如網架形式，支承條

8、件等）進行對比分析，從而得到一些結論。本文的思路大致如下：首先利用Autocad軟件進行網架建模，選擇三種網架進行對比分析，分別是：正交正放桁架型網架，斜放四角椎網架，抽空四角椎網架。利用有限元計算軟件SAP2000對比分析出這三種中最優(yōu)結構形式，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）進行對比分析，從而得出結論。為確定SAP2000計算的準確性，選定前者的

9、一種分析模式導入MIDAS再進行分析，對比兩者的結果，加強分析的準確度。</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的網架結構。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防烈度為8度。支承方式、網格形式、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>　　風荷載</b></p><p

13、>　　基本風壓: 0.45kN/m2</p><p><b>　?。?）溫度作用</b></p><p>　　對于跨度大于40m的大跨度房屋鋼結構應考慮溫度作用。溫度作用作為可變荷載，其荷載分項系數為1.3。</p><p><b>　　（4）地震作用</b></p><p>　　《網架結構設

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

15、。</p><p><b>　　2.3 基本假設:</b></p><p>　　(1) 網架的每個節(jié)點均為空間剛結點，每個節(jié)點沒有自由度;</p><p>　　(2) 荷載作用在網架節(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、部框架結構剛度對網架的影響。</p><p><b>　　圖1 網架形式圖</b></p><p><b>　　2.4 有限元建模</b></p><p><b>　　2.4.1網架選型</b></p><p>　　《網架結構設計與施工規(guī)程》JGJ7—91規(guī)定：</p&g

17、t;<p>　　網架的選型應結合工程的平面形狀和跨度大小、支撐情況、荷載大小、屋面構造、建筑設計等要求綜合分析確定。網架桿件布置必須保證不出現結構幾何可變情況。</p><p>　　平面形狀為矩形的周邊支承網架，當其邊長比1.5時，宜選用斜放四角錐網架、棋盤形四角錐網架、正放抽空四角錐網架、兩向正交斜放網架、兩向正交正放網架、正方四角錐網架。</p><p>　　根據設計條件

18、和規(guī)范規(guī)定，先采用周邊支承的三種網架：正交正放四角錐網架、斜放四角椎網架、正放抽空四角錐網架，對三種網架進行綜合比較，確定最經濟的方案，再對選定的方案進行變參，如網格尺寸、高度、支承等，比較它們的應力比、撓度、用鋼量、自振特性、振動響應等。</p><p>　　2.4.2 網架結構的網格尺寸及高度的選擇</p><p>　　《網架結構設計與施工規(guī)程》JGJ7—91規(guī)定：網架的網格尺寸和高度

19、可根據網架形式、跨度大小、屋面材料以及構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架，可按下表1選用。</p><p>　　表1 網架的上弦網格數和跨高比</p><p>　　注：（1）L2為網架短向跨數，單位為m；（2）當跨度在18m以下時，網格數可適當減少。</p><p>　　最終我們選擇網格數為8×8，網格尺寸即為5m×5m。高

20、度選擇為2.5m。利用Autocad進行正交正放四角錐網架、斜放四角椎網架、正放抽空四角錐網架三種網架的建模，如下圖所示：</p><p>　　圖2 正放抽空四角錐網架</p><p>　　圖3 斜放四角椎網架</p><p>　　圖4 正交正放桁架型網架</p><p>　　3. 結構靜力性能分析</p><p>　

21、　3.1 靜力荷載組合及計算</p><p>　　網架結構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。作用在網架結構上的永久荷載包括網架結構、屋面結構、吊頂、設備等材料自重?？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，使網架桿件產生附加溫度應力，必須在計算和構造措施中加以考慮。</p><

22、;p>　　本文設計計算過程中，遵循了目前我國正在使用的規(guī)范及規(guī)定，如《鋼結構設計規(guī)范》、《建筑抗震設計》、《網架結構設計手冊》、《建筑結構荷載規(guī)范》等。計算分析了結構幾種組合工況下的結構性能，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：風荷載； Wy：風荷載； 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中建立結構的三維模型，另存為dxf文件, 接著導入SAP2000中計算。在SAP2000程序中建立結構的整體模型，在上述荷載組合下進行內力分析和截面設計

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

25、的比較</p><p>　　比較以上三種方案，正放抽空四角錐網架網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架和正交斜放四角錐網架，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準，正交斜放四角錐網架較為經濟且最安全，故選用正交斜放四角錐網架。</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>　　當焊接空心球直徑為160到900mm時，其受拉和受壓承載力設計值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——鋼材的抗拉強度設計值，N/mm2;</p><p>　　ηd——加肋承載力提高系數，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>　　帶入腹桿的數據：</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>　　得到承載力設計值：</b></p><p>　　故最終確定網架焊接空心球外徑為300mm，壁厚為4mm。</p&

29、gt;<p>　　5．參數變換對網架受力的影響的分析</p><p>　　5.1 網架支承形式變化</p><p>　　控制其他參數不變，只對支承形式進行變換，分析不同支承對結構應力、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 四邊固支應力示意圖（綠色桿件應力比0.581）</p><p>　　圖12 四邊鉸支應力示意圖（綠色桿件應力比0.582）</p><p>　　圖13兩邊鉸支座，兩邊簡支座應力示意圖（綠色桿件應力比為0.6）</p><p>　　表5 網架支承形式變化的比較</p>

31、<p>　　結論：通過比較可以發(fā)現，兩邊鉸支座，兩邊簡支座撓度最大且支座附近大應力腹桿較多，四邊固支撓度略小且支座附近大應力腹桿較少，四邊鉸支座撓度最小且大應力腹桿較少，故取四邊較支座最合適。</p><p><b>　　6. 網架靜力分析</b></p><p>　　恒載、活載及風荷載作用下網架結構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 風載軸力圖</b></p><p>　　結論：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、腹桿受力較為復雜，拉桿壓桿交錯。如上圖所示。</p><p>　　活荷載作用下網架結構的受力規(guī)律與恒荷載作用下相同。</p><p>　　風荷載作用下網架結構的受力規(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. 網架動力分析</b></p><p>　　7.1 結構模態(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 結構自振周期和陣型

35、質量參與系數</p><p>　　選取前12階模態(tài)，自振周期與陣型質量參與系數見表所示。</p><p>　　表6 結構前12階模態(tài)的自振周期和陣型質量參與系數</p><p>　　7.3 結構反應譜分析</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，所有桿件的最大內力均為拉力，且遠小于恒載、活載、風載和溫度作用下的內力。同時，桿件的變形撓度非常小，僅為182mm，說明豎向地震對網架的影響較小。</p><p>　　7.4 結構時程分析</p><p>　　地震波的峰值一定程度上反映了地震波的強度，因此要求輸入結構的地震波峰值應與設防烈度要求的多遇地震或罕遇地震的峰值相當，否則應按下式

37、對該地震波的峰值進行調整:</p><p>　　其中，和分別為地震波時程曲線與峰值，取設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、調整系數70/400=0.175。taft波峰值400 cm/s2,峰值調整系數70/400=0.175。tianjin波峰值400.0129 cm/s2,峰值調整系數70/400.0129=0.175</p><p>　　圖22 tianjin波時程函數</p><p>　　根據《建筑抗震設計規(guī)范》規(guī)定，進行結構彈性時程分析時，計算結果的平均基底剪力值不應小于振型分解反應譜法計算結果的8

39、0%，每條地震波輸入的計算結果不應小于65%,當取三組加速度時程曲線輸入時,計算結果宜取時程法的包絡值和振型分解反應譜法的較大值；當取七組及七組以土的時程曲線時，計算結果可取時程法的平均值和振型分解反應譜法的較大值。</p><p>　　本組考察了網架在豎向地震作用（U3）下的反應譜分析，對比結果，時程分析選取tianjin波的計算結果均能滿足規(guī)范規(guī)定，其他兩條的分析結果與反應譜法相差很大，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架模型導入MIDAS軟件進行分析</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。亦可以比較出內力，振型，周期等（太冗長，不再列出）?？梢缘贸鼋Y論：

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

43、>　?。?）在所選的三種網架中，正交正放桁架系網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架和正交斜放四角錐網架，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架。</p><p>　?。?）通過比較可以發(fā)現，兩邊鉸支座，兩邊簡支座撓度最大且支座附近大應力腹桿較多，四邊固支撓度略小且支座附近大應力腹桿較少，四邊鉸支座撓度最小且大應力腹桿較少，故取四邊較支座最合適。</p>

44、<p>　?。?）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；斜腹桿受力較為復雜，拉桿壓桿交錯?；詈奢d作用下網架結構的受力規(guī)律與恒荷載作用下相同。風荷載作用下網架結構的受力規(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、最大內力均為拉力，且遠小于恒載、活載、風載和溫度作用下的內力，撓度也非常小，只有5.3mm，說明豎向地震對網架的影響相對較小。</p><p>　?。?）由于地震的不確定性，對于同一建筑結構，輸入不同的地震波計算結果可能會差別很大，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>　?。?）整體建模后結構的剛度變小，周期變長。并且由

46、于支座條件的差異，結構各條傳力路徑上所受的力受到影響，出現一定程度的桿件內力重分布。具體表現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力增大，這是由于支座剛度不同引起?？梢匀菀椎贸?，梁上支座和柱上支座反力相差明顯。從計算結果來看，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在與支座相連的傳力路徑上所分擔的力重新分布，受力小的路線對受力大的路線有約束作用，從而調動了結構的空間協