2024.8.13-15
新聞資訊
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
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。
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
座機：020-61198842 座機：020-62139606
手機：137 1143 0398 手機：185 6528 2359
Q Q：323201814 Q Q：1684672007
黃祺
座機：020-62139602
手機：138 2547 5605
Q Q： 2724397436
項目二組
李健銘 梁建林
座機：020-61198891 座機：020-62139604
手機：158 1708 8364 手機：155 2139 4660
Q Q：3544579318 Q Q：516165433
項國澳
座機：020-62139624
手機：135 8050 2528
Q Q：3275574349
市場(chǎng)部·媒體合作
郭穗豐 鄧海蓮
座機：020-61198886 座機：020-61198851
手機：134 1817 7414 手機：132 6513 8198
Q Q：3229177657 Q Q：2135571196
江彩霞
座機：020-62139617
手機：159 1574 4203
Q Q：3197096891
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