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鋼結構 | 復雜空間鋼結構分析與設計探討

廣東建筑工業(yè)化展     2018-01-22     1074

 

前言

 

近年來(lái),隨著(zhù)大眾對建筑外形審美的不斷提高,形狀怪異的復雜空間建筑結構不斷出現,而鋼結構以其良好的受力性能被廣泛的應用于此類(lèi)結構中。復雜空間鋼結構的出現對結構工程師提出了更高的要求,如何對該類(lèi)型結構進(jìn)行簡(jiǎn)化、建模、分析、設計以及出圖是我們急需解決的問(wèn)題。本文通過(guò)已有的工程經(jīng)驗,并結合審圖單位、施工單位的寶貴意見(jiàn),對復雜空間鋼結構的分析與設計全過(guò)程進(jìn)行探討,總結了部分分析與設計方法,可供此類(lèi)結構的設計提供參考。

 

空間復雜結構概述

 

空間結構是相對于具有較為明顯層概念的結構而提出的,這類(lèi)結構無(wú)法用簡(jiǎn)單的平面、立面、剖面表示其結構施工圖??臻g復雜結構構件呈三向受力狀態(tài),且一般跨度大、形式復雜,它采用特殊結構解決傳統的梁、柱構件受力的問(wèn)題。

 

常見(jiàn)結構類(lèi)型有網(wǎng)架結構、懸索結構、殼體結構、管桁架結構、膜結構等類(lèi)型。 空間結構能適應不同跨度、不同支承條件的各種建筑要求;形狀上也能適應正方形、矩形、多邊形、圓形、扇形、三角形以及由此組合而成的各種形狀的建筑平面、立面;同時(shí),該類(lèi)建筑造型輕巧、外形美觀(guān),主要用于車(chē)站、飛機場(chǎng)、體育館等大型公共建筑。

 

▲ 復雜空間鋼結構典型實(shí)例

 

建模過(guò)程

 

復雜空間建筑結構在結構介入之前,建筑通常會(huì )有三維的SU模型或者犀牛模型配合建筑的平立剖面圖作為項目的表達。而結構建模時(shí),依據其三維模型來(lái)布置空間桿件,考慮到后期模型和出圖的準確性,需要建筑給出較為精確的三維模型,同時(shí)需要給出結構中心線(xiàn)組成三維表面。下面以某售樓中心為例介紹復雜空間結構的建模、分析和出圖過(guò)程。首先預估幕墻的厚度,將建筑外皮整體內偏300mm即為結構中心線(xiàn)表皮(預估結構管件大小在∅200左右)。

 

 

將此SU模型導出到DXF,通過(guò)CAD打開(kāi)后進(jìn)行線(xiàn)框模型的建立。

 

 

將此SU模型導出到DXF時(shí)應注意以下幾個(gè)方面:

 

1)導出dxf模型時(shí)應附加建筑外表皮以及內表皮,以確定屋蓋結構模型不與主體結構發(fā)生碰撞,且不超出建筑外立面;

 

2)dxf模型應附加上相應的建筑軸網(wǎng),并與主體結構的相對位置完全正確,如下圖為建立好以后的結構三維線(xiàn)框模型;

 


▲ 結構三維線(xiàn)框模型

 

3)將整體模型及軸網(wǎng)、主體結構等以某一個(gè)明確的且離模型較近的點(diǎn)作為模型的原點(diǎn)移動(dòng)到CAD圖中的原點(diǎn)位置(一般選在整個(gè)模型的左下角,主軸網(wǎng)交點(diǎn)處,Z向原點(diǎn)相對于建筑的實(shí)際標高根據實(shí)際確定),后期出圖時(shí)會(huì )給出節點(diǎn)、桿件相對于這個(gè)原點(diǎn)的相對坐標作為圖紙的三維空間表達;

 

4)將建立好的三維線(xiàn)框模型另存dxf,導入到midas/gen模型中進(jìn)行材料構件定義、結構分析。

 

分析過(guò)程

 

在midas/gen中進(jìn)行結構分析時(shí)應特別注意:

 

 1、自重應定義在恒載中,自重系數根據情況取≥1.0。當結構節點(diǎn)處采用少量的焊接球或螺栓球時(shí)一般取為1.1,對網(wǎng)架結構球節點(diǎn)較多時(shí)自重系數一般取為1.2,同時(shí)注意自重系數的方向,如圖中為豎直向下,即重力方向;

 

 2、定義荷載工況,根據需要定義荷載工況如右圖所示,荷載組合可先采用軟件自動(dòng)組合,基本能按荷載規范的要求將基本的恒載、活載,風(fēng)荷載,地震等進(jìn)行組合,但溫度荷載不能自動(dòng)組合,需要自動(dòng)生成后進(jìn)行手動(dòng)組合,空間復雜結構的風(fēng)荷載需要根據風(fēng)洞實(shí)驗或者經(jīng)驗得出的體型系數,換算成風(fēng)荷載標準值,再采用面荷載加到結構中去;

 

 3、復雜結構應補充時(shí)程分析和屈曲分析,特征值屈曲系數一般不小于15,這時(shí)通常情況下非線(xiàn)性屈曲系數不會(huì )小于4.0;

 

 4、結果查看時(shí)主要查看以下幾個(gè)方面:

 

1)周期振型是否有異常。

2)變形是否滿(mǎn)足要求。

3)查看應力是否滿(mǎn)足要求。

4)構造條件是否滿(mǎn)足要求。

 

節點(diǎn)分析及設計

 

 1、常用節點(diǎn)種類(lèi)

復雜空間鋼結構的節點(diǎn)主要采用焊接空心球節點(diǎn)、相貫焊節點(diǎn)、鑄鋼節點(diǎn)以及銷(xiāo)軸節點(diǎn)等。

 

1)焊接空心球節點(diǎn)

 

焊接空心球是將按設計要求確定的兩塊圓鋼板經(jīng)過(guò)熱壓或冷壓加工成兩個(gè)半圓球殼、再對接焊接成一個(gè)整體。焊接空心球分為無(wú)肋空心球和有肋空心球,其中有肋空心球為在球殼內部增設環(huán)形加勁板。有肋空心球又可分為單肋空心球和雙肋空心球,雙肋空心球又分為平行或十字交叉雙肋空心球。

 

 

焊接空心球設計時(shí)主要先預估焊接球的外徑、壁厚以及加勁肋的厚度,整體結構分析完成后通過(guò)讀取桿件內力再驗算是否滿(mǎn)足要求。

 

 

2)相貫焊節點(diǎn)

 

相貫焊節點(diǎn)是指管件之間沿著(zhù)相貫線(xiàn)進(jìn)行的無(wú)縫焊接,相貫線(xiàn)通常采用數控機床切割相交桿件所得,需注意區分主管與支管。實(shí)際設計時(shí)當管件相交夾角較小時(shí),相貫線(xiàn)會(huì )有很長(cháng)相交范圍,與軟件計算假定不符,此時(shí)相貫焊節點(diǎn)應做加強處理,例如在相交面增加中間肋板、相交段范圍內增加加強套管等。相貫焊節點(diǎn)的分析與設計在《空間網(wǎng)格技術(shù)規程》中有詳細介紹。

 


▲ 相貫焊節點(diǎn)

 

3)鑄鋼節點(diǎn)

 

鑄鋼節點(diǎn)主要用于受力大,節點(diǎn)構造復雜的重要性節點(diǎn)。鑄鋼節點(diǎn)受力性能好,節點(diǎn)可靠度高,但是需要提前定制模具,施工周期較長(cháng)且經(jīng)濟性差,設計時(shí)需考慮。

 


▲ 鑄鋼節點(diǎn)

 

4)銷(xiāo)軸節點(diǎn)

 

銷(xiāo)軸節點(diǎn)具有構造簡(jiǎn)單、傳力明確,能夠理想的實(shí)現鉸接連接等優(yōu)點(diǎn),在建筑鋼結構中得到廣泛的應用。

 

 

 2、節點(diǎn)有限元分析

 

常用有限元分析軟件主要有ansys、abaqus以及midas/gen等。Ansys建模精度要求最高,很小的誤差或者設置不符合軟件的要求均計算不出結果;abaqus建模要求相對較低,一般都能算出結果,但需要設計人員自己判斷結果的正確性,且有軟件界面友好,學(xué)習相對簡(jiǎn)單;midas/gen的分析功能不如前兩個(gè)軟件強大,用到的也相對較少。

 

 

出圖內容


空間復雜結構不能用明確的平面、立面和剖面進(jìn)行圖紙表達,因此出圖時(shí)需要將傳統的平、立、剖面圖與結構三維軸測圖以及細部放大圖、節點(diǎn)和桿件坐標表等相結合作為圖紙表達。

 

此項目主要設計圖紙如圖所示,除了傳統“圖紙目錄”、“鋼結構設計總說(shuō)明”以及“預埋件布置圖”和“節點(diǎn)詳圖” 外,增加了“結構三維軸測圖”、“結構俯視圖”、“支座節點(diǎn)編號圖”、“節點(diǎn)坐標表”以及“桿件編號表”。

 

 

結構三維軸測圖和結構俯視圖需要在建立完結構三維實(shí)體模型后才能給出,cad三維實(shí)體圖中應包含的內容有:

 

1)各個(gè)桿件的截面規格;

2)需要增加球節點(diǎn)的位置和大??;

3)支座節點(diǎn)信息。

 

實(shí)際建立三維模型時(shí)一般將桿件規格作為圖層的名字并以不同的顏色加以區分,桿件的大小按實(shí)際規格建立,整個(gè)模型與建筑的相對位置與項目實(shí)際應保持一致,包括標高。焊接球按實(shí)際規格建立,規格作為圖層的名字,也用顏色區分。構件大小、球節點(diǎn)大小以及相對位置如果都和項目實(shí)際一致就很容易進(jìn)行碰撞檢查,并能給甲方以及施工單位直觀(guān)感受,便于施工和項目呈現。

 

 

結構三維實(shí)體模型建立時(shí),可用MIDAS分步導出構件中心線(xiàn),然后再分別指定圖層和構件規格,并通過(guò)放樣確定增加焊接球的位置及大小,并用CAD放樣出結構支座的相關(guān)做法。實(shí)體模型完成后可用于生成結構三維軸測圖以及俯視圖或立面圖,并能給設計師直觀(guān)感受,是否符合設計要求。同時(shí)實(shí)體模型可用于加工廠(chǎng)構件加工,施工單位施工參考以及對甲方的項目展示。

 

注意:焊接球的位置和大小應在節點(diǎn)坐標表中給出。

 

 

繪制節點(diǎn)坐標表以及桿件編號表時(shí)應注意:

 

1)這部分內容應放在三維實(shí)體模型以及其余二維圖紙基本完成后繪制,如后期有改動(dòng),返工量較大;

2)下圖的節點(diǎn)分布圖以及桿件分布圖應與結構三維實(shí)體模型和相應表格一一對應,如節點(diǎn)處是否有焊接球,焊接球的大小都需對應并與實(shí)際相符;

 

 

3)節點(diǎn)分布圖、桿件分布圖較多時(shí)可以分部給出,避免表達不清楚,如果某個(gè)節點(diǎn)或桿件有變化時(shí)可只改相應位置,其余位置不改變,否則工作量太大。

 

總結

 

復雜空間鋼結構的種類(lèi)非常多,其分析設計方法也不是幾篇分析設計流程所能概括,本文結合實(shí)際工程案例,簡(jiǎn)要介紹了這類(lèi)結構分析設計過(guò)程及要點(diǎn),仍有很多不夠完善的地方有待進(jìn)一步研究解決。

來(lái)源:鋼結構


 

組委會(huì )聯(lián)系方式 

項目一組

盧毅                                        殷鋒  

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黃祺

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項目二組 

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