大跨钢结构（精选十篇）
大跨钢结构 篇1
本文结合某新建大型演艺类建筑的工程实例, 研究用钢量控制的。
1 工程概况
本项目位于位于成都市新天府广场核心区, 主要功能为12000座的演艺中心、450座音乐俱乐部以及配套的商业、技术、管理、车库等用房。总建筑面积约13万m2, 地下2层, 地上6层, 设计容纳观众人数为12000人, 属大型演艺中心。多功能剧场屋面最高处约为46.6m, 小音乐厅屋面最高处约为31.32m。
±0.000以上的结构体系主要由三部分组成。
(1) 多功能剧场主体结构:钢筋混凝土框架-筒体结构, 各榀框架由斜柱、框架柱以及斜梁或楼面梁形成巨型大悬挑桁架。
(2) 多功能剧场屋面结构:空间桁架及大跨钢梁。
(3) 小音乐厅:钢框架-钢筋混凝土筒体结构。
地下室顶板作为上部结构的嵌固端。多功能剧场与小音乐厅在地下室顶板以上设抗震缝分开, 缝宽200mm。
本文仅就多功能剧场进行分析。
2 结构方案比选的内容
大跨度结构设计最易造成含钢量差距, 最重要的影响因素主要是结构选型与大跨屋面结构。现就这两方面进行以下的方案比对。
(1) 主体结构选型比较
结合类似工程, 比较分析了本工程主体结构采用钢结构与混凝土结构的适用性和合理性。
(2) 大陀螺钢屋盖选型比较
比较分析了大陀螺钢屋盖采用部分桁架+部分网架以及全部采用桁架的结构进行经济性、适用性的综合比较。
2.1 大陀螺主体结构选型比较
与本项目类似的部分观演类建筑的结构选型如下。
上海世博会演艺中心:钢框架 (桁架) -芯筒剪力墙结构, 楼层梁为钢梁 (图1) 。
重庆大剧院:部分体块为钢筋混凝土框架-剪力墙, 部分巨型悬挑体块为钢结构桁架+钢梁组合楼面 (图2) 。
天津大剧院:钢筋混凝土框架-芯筒剪力墙结构。
上海东方艺术中心:钢筋混凝土框架-剪力墙结构。
其中, 上海世博会演艺中心和重庆大剧院都有很大的悬挑结构, 天津大剧院和上海东方艺术中心均没有大的悬挑结构, 本项目框架结构的形式如图3示意, 在三层以上有较大的悬挑结构。
本项目方案阶段设计考虑的主体结构采用钢结构或型钢混凝土结构 (型钢混凝土柱+钢梁) 或钢筋混凝土结构。其中型钢混凝土柱+钢梁的结构与钢结构比较接近, 主要为钢结构, 钢筋混凝土结构方案梁柱主要为钢筋混凝土结构, 部分杆件为预应力混凝土结构或少量杆件含有型钢。以下主体结构选型均指比较主要为钢结构的方案和主要为钢筋混凝土结构的方案。
钢筋混凝土方案:钢筋混凝土结构应用广泛, 对施工单位的要求较低, 土建造价相对较低, 经济性相对较好。但是钢筋混凝土结构自重大, 材料强度低, 构件截面尺寸较大, 减小了有效使用面积, 对建筑平面布置有一定的影响。上部结构自重的增大对基础有一定的影响, 本次方案比较中暂不考虑。此外, 由于混凝土结构对于复杂结构而言需要采取加强措施才能实现设计需要的受力性能, 设计难度大, 设计周期长。
钢结构方案:钢梁及组合楼板的采用减小了楼面的结构自重, 在一定程度上减小了竖向构件的截面尺寸, 从而提高有效使用面积, 此外, 钢结构材料的延性较好, 因而抗震性能较好。对于大陀螺钢结构方案而言, 所需的结构设计周期本身比钢筋混凝土方案有所缩短, 但是需要钢结构制作厂家进行深化设计。一般来说钢结构的采用使整体施工速度加快, 但由于本项目设计周期较短, 钢结构制作与地下室及其他混凝土结构施工的重叠时间较少, 所以对工期的减少也受到一定的影响。钢结构方案对施工单位的要求有所提高, 土建结构造价相对较高。
本工程三层以上悬挑较大, 属于复杂结构, 经过仔细分析, 采用混凝土结构并考虑预应力措施后, 可以满足设计要求, 虽然给结构设计带来一定的难度和更大的工作量, 但经济性比钢结构好, 因此本工程大陀螺主体结构采用复杂混凝土结构。
2.2 钢屋盖选型比较
多功能剧场屋盖平面形状近似为圆形, 直径约152m, 屋盖顶部建筑标高为46.6m, 檐口最低标高为38.95m。舞台区剪力墙、近舞台区的部分筒体、六层看台周边框架柱伸至屋盖以下, 为屋盖提供支承。
由于舞台偏置一侧, 整个屋盖的吊挂荷载分布不均匀, 大的吊挂荷载集中在舞台台口两侧, 因此屋盖设计中利用舞台台口两个楼梯间筒体支承结构, 设置一个约8m高的空间立体桁架作为舞台主桁架。舞台区上部屋盖荷载较大, 以舞台主桁架及舞台剪力墙为支承, 采用平面桁架形式, 跨度较小。
舞台区以外的屋盖最大跨度约为86m, 跨度较大, 可采用钢桁架或网架结构, 综合考虑建筑功能要求、经济性、适应性, 选择合适的结构形式。
与本项目类似的部分观演类建筑的钢屋盖结构选型如下。
上海世博会演艺中心:空间桁架结构;上海东方艺术中心:空间桁架结构;天津大剧院:空间桁架结构;河南艺术中心大剧院:钢桁架结构。
图4为舞台区以外结构的网架方案, 采用正放正交的四角锥形式, 跨中最大高度约5m, 周边高度3m, 上弦周边多点柱支撑, 节点形式采用焊接球节点, 截面为圆管, 材料为Q345B, 满足设计要求的钢屋盖结构用钢量约为105kg/m2 (不包含檩条及马道等) 。
图5为舞台区以外的空间桁架结构方案, 呈放射线布置的径向桁架和环向桁架, 以主桁架和周边框架柱、楼梯间筒体为支承, 形成空间桁架, 最大桁架高度约为5.6m。下部支承构件以外的屋盖由桁架悬挑, 最大悬挑范围达到26m。桁架截面为圆管, 材料为Q345B, 满足设计要求的钢屋盖结构用钢量约为130kg/m2 (不包含檩条及马道等) 。
屋盖需综合考虑建筑功能要求、经济性、适应性选择合适的结构形式, 屋盖平面形状、矢高、承受荷载结构是屋盖结构选型的主要因素, 建筑外观和功能也非常重要。具体比较内容见表3。
由于矢高较低, 悬挂集中荷载荷载较大, 桁架结构体系在竖向刚度、悬挂荷载适应性、结构外露的建筑效果等方面比网架结构具有相对优势, 因此本阶段初步设计采用桁架结构体系 (图6) 。
3 结语
大跨钢结构 篇2
结构计算分析应符合下列重点要求：
（一）作用和作用效应组合：
设防烈度为7度（0.15g）及以上时，屋盖的竖向地震作用应参照时程分析按支承结构的高度确定，
基本风压和基本雪压应按1一遇采用；屋盖体型复杂时，屋面积雪分布系数、风载体型系数和风振系数，应比规范要求增大或经风洞试验等方法确定。
温度作用应按合理的温差值确定，
除有关规范、规程规定的作用效应组合外，应增加考虑竖向地震为主的地震作用效应组合，以及风力为主的地震作用效应组合。
（二）计算模型和设计参数
屋盖结构与支承结构的主要连接部位的构造应与计算模型相符。
整体结构计算分析时，应考虑支承结构与屋盖结构不同阻尼比的影响。若各支承结构单元动力特性不同且彼此连接薄弱，必要时应有整体计算与分开单独计算的比较。
必要时应进行罕遇地震下考虑几何和材料非线性的弹塑性分析。
超长结构（如大于400m）应有多点地震输入的分析比较。
大跨钢结构 篇3
【关键词】大跨度；空间钢结构；施工；安装方法
1 高空原位拼装法
高空原位拼装法是指把杆件和节点在结构设计位置直接进行拼装，为了保证大跨度空间钢结构的安全性，结构往往要设置临时支撑来改善结构的受力性能，等结构安装完成以后再把临时支撑卸载使结构达到设计状态，设置临时支撑结构使得高空原位拼装法得到了非常广泛的应用。
高空原位拼装法是复杂钢结构施工安装的基础，其他的施工方法都是从此方法演变而来的。根据支撑的不同，高空原位拼装法可以分为全支架安装法(满堂红脚手架法)和胎架安装法。全支架安装法就是根据结构的曲面形状和高度使用脚手架将结构在空中完成总拼的方法，它适用于高度和跨度都不是很大的“馆”类结构，优点是施工灵活、回收利用率高且易于控制坐标，缺点是使用脚手架的量比较大，施工过程中的不安全因素增多，比起后一种胎架安装法来说偏不安全，但是较为经济;胎架安装法是根据结构特点设计一种类似脚手架的胎架结构作为建筑物的支撑体系来进行安装。它适用于高度较高、跨度和自重比较大的大跨度空间“场”结构，优点是胎架结构的形式多样、施工安全以及坐标精确，缺点是由于回收利用率不高引起的浪费严重。
高空原位拼装法是结构建造中最原始、最普遍的施工方法，现将其主要技术特点总结如下:
1.1 要求定位坐标精准。由于结构是在空中拼装完成的，在没有预调值的情况下，设计坐标即是施工中节点的安装坐标，要使结构达到设计状态就必须要求此施工方法对坐标定位准确。
1.2 制定合理的安装顺序。根据结构的具体特点制定出合理的安装顺序，尽可能的减少标高误差。
1.3 考虑基础不均匀沉降的影响。由于临时支撑上荷载一般较大且受力不均匀，为了使结构的安装位形达到设计要求，必须对临时支撑下的基础不均匀沉降进行考虑。
1.4 对结构进行实时监测。由于建造过程中的影响因素较多，而施工周期又比较长，所以必须对结构进行实时监测。
1.5 对临时支撑的拆除要在结构拼装完成以后进行。在没有拼装完成时结构的整体刚度和稳定性还未形成，在此时拆除临时支撑会对结构的安全性能产生较大影响。
虽然高空原位拼装法施工周期比较长、临时支撑的用量很大且安装和拆除支撑的时间较多，但是由于该方法具有很高的安全性，使得这种施工方法在大跨度空间复杂钢结构建造中得到了广泛的应用。
2 整体吊装法
整体吊装法是指将分区结构在地面上拼装好后，运用吊装设备将结构吊装在设计位置处的一种施工方法。它适用于矢高较小、结构形式简单的空间网壳结构，对于小规模的建筑使用此方法比较经济，能缩短施工进度，而这种方法的难点在于吊装结构的选择和空中定位，对吊装过程的安全性和工人的操作熟练程度也有一定的要求。
整体吊装法在规模较小的网壳结构施工中应用广泛，现将其主要技术特点总结如下:
2.1 对安装设备及场地有较高要求。要求场地空旷且平整，根据所吊结构的不同，采用不同的吊装设备。
2.2 对空中定位的安全性有较高要求。整体吊装法在施吊时一般需要人员辅助定位，所以要保障操作工人的安全性。
2.3 可以将地面总拼与吊装同时进行。在场地许可的情况下，可以在场地外进行总拼，场地内进行吊装，解决了施工周期长的问题，同时要保证吊车在行驶较长的距离时地面有足够的承载力。
对于大跨度钢结构而言，由于结构的矢高较高、跨度较大，所以单纯使用整体吊装法进行施工是不现实也是不安全的，只有和其他几种方法结合施工才能达到理想的效果。
3 滑移就位法
滑移就位法按滑移方式分可以分为:单条滑移法和逐条累计滑移法。前者将每个条状单元分别从一端滑到另一端直接就位安装;而后者是先将第一个条状单元滑移一段距离至第二条单元，连接好后两条单元一起再滑移一段距离至第三条单元，如此循环直至完成。按滑移空间的不同分为:上(下)坡滑移法和水平滑移法。虽然滑移就位法的精度比较高，但是使用范围还不是很广泛，随着科技的进步此方法也在慢慢地投入使用。现将其主要技术特点总结如下:
3.1 曲线滑移轨道铺设较为困难。当轨道的标高不同、或曲线的半径不同时，对液压爬行器有特殊要求，有时需要特殊改造。
3.2 对起重设备和牵引设备的要求不同。在没有平台利用的时候只需搭设少许的临时支撑，故对起重设备要求不高;但对牵引设备的同步性要求较高。
3.3 滑移时的结构是几何不变体且滑移速度不能太快。当采用单条滑移法时，由于摩擦阻力小，牵引力较大，所以需通过滑轮组变速。世界大学生运动会主体育馆采用了空间多轨道对称累积旋转滑移的施工技术，设置了特定的滑移轨道对结构进行安装。
滑移就位法和空间原位拼装法以及整体吊装法相比较，其显著优点是节省资金并能缩短工期，在大跨度空间钢结构的施工中使用越来越广泛。
4 整体提升安装法
整体提升安装法是利用提升设备将结构提升至预想位置再进行安装的一种方法，多用在单层或多层网壳的屋盖结构施工中。此种施工方法最大的优点就是可以节省大量的临时支撑且工期相对较短，而相对应的施工难点就是对提升点的把握以及对所提升网壳结构的应力控制。整体提升安装法是对空间原位拼装法的补充，一般与其他几种方法结合使用。
整体提升安装法的具体施工步骤是先将要提升的整个网壳结构分为几个单元，把第一个单元利用提升设备升至一定高度与第二个单元进行连接，连好后再将两个单元一起提升至下一单元，如此循环直至到设计高度与整个结构进行拼装。现将其主要施工技术特点总结如下:
4.1 使用的提升设备一般都不大。由于使用此方法施工的网壳结构一般自重较轻，一般小的提升设备就可以进行施工，成本较低。在小网壳的施工中应用非常广泛。
4.2 要选择合适的提升点。由于网壳结构在提升过程中的受力只集中在几个提升点上，有应力集中的现象，所以在施工前要对不同的提升点进行分析从而满足应力要求，保障结构施工中的安全性。
4.3 尽量多的在地面完成拼接。由于是空中作业，所以同整体吊装法一样，为了保障施工人员的安全，设计时尽量多的在地面完成拼接。
4.4 只能垂直上升，不能平动和转动。和整体吊装法不同的是其灵活性稍差，只能垂直上升。整体提升安装法是一个从“结构可变体”到“几何不变体”的过程，在最终完成提升的同时也要注意对结构的应力应变监测，保证施工的安全。由于其安装质量较高，并且可以节约大量的临时支撑，成本较低，施工较快，所以在网架及网壳结构的施工中应用广泛。
大跨钢结构 篇4
1 环境因数的分析
桥梁结构的主要功能是满足交通运输, 确保交通运输的安全畅通。因而桥梁首先需要保证能够承受自身和车辆的荷载, 其次, 还需要抵抗外界不利条件对桥梁的影响。由此可见, 环境因数的影响是我们不得不面临的考验。通过查阅资料, 我们发现温度, 太阳辐射, 化学侵蚀等都会对桥梁结构造成损害。下面我们将从这三个方面进行详细的分析。
1.1温度的影响可以说影响
桥梁最结构最普遍的因数就是温度因数, 温度对桥梁结构的影响可以分为两个方面, 一个是对静力特性的影响, 另一个是对动力特性的影响
(1) 多数桥梁结构都属于超静定结构, 因此, 随着温度的变化, 会对结构产生一定的附加应力。Bell等在做单跨混凝土桥梁荷载试验时, 发现温度荷载引起的应变超过了车辆荷载。姚昌容等监测到结构温差对中坝大桥的挠度影响达8cm。
(2) 对动力特性的影响主要表现在温度对桥梁自震频率的影响以及振型的影响。Farra等通过实验, 对这一结论进行了验证。证明了温度对桥梁的自震频率以及振型确有影响。
由于温度变化具有一定的周期性, 因此温度应力也就具有一定的周期性, 温度应力的特点是持续时间长, 涉及范围比较广。具有一定的周期性等特点。
1.2太阳辐射的影响
桥梁通过吸收太阳辐射能和接触的空气进行对流, 通过混凝土的热传递性能将太阳辐射能传递给桥梁结构的内部。由于混凝土的导热系数比较小, 比热容也较小, 因此传递的比较慢, 在内部和外部形成温差, 产生温差应力。从而对结构造成损坏。
1.3化学侵蚀的影响
环境中的化学成分, 如氯离子也会对我们的结构造成损坏, 锈蚀结构中的钢筋, 侵蚀我们的混凝土。因此环境中的化学成分对桥梁结构的影响也是不可忽视的。
2 温度因数影响的分析
通过我们的对比分析, 我们知道温度对结构的影响最为重要, 为了验证我们的猜想, 我们对对某地区的一个大跨结构进行了监测。我们将整个结构划分为4个点, 对其进行监测, 得到下图, 图1为结构四个点的温度变化图, 图2为结构的应力变化图。
由上图我们可以看出以下结论:
(1) 从10月16号到10月19号这段期间, 最低温度为18℃, 发生在10月16号, 最高温度为29℃, 发生在10月19日。
(2) 10月16号到10月19号, 应力最小值为0, 发生在10月18号, 最大值发生在10月19号, 为41Mpa。
(3) 我们看图1中FG12-3温度上升了2℃, 图2中FG12-3应力变化值为41MPa, 所以得出温度每升高一度, 应力变化值为20.5℃。
(4) 而在图1中FG12-4, 在10月19日15;15到10月19日16点10分, 温度上升了5摄氏度, 而应力变化值仅为18。
(5) 由 (3) 和 (4) 我们可以得出温度应力变化并不是线性变化的。
(6) 在图1中FG12-2, 10月19日15:15到下午16:10分, 温度是升高的, 但在图2中应力却负向变化, 这说明应力变化只与温差有关系, 只要温差变化, 应力就会变化。
3 结束语
大跨空间结构案例分析_图文(精) 篇5
网壳结构网格结构 悬索结构 薄膜结构 ●高层建筑结构 ●平面结构
平面屋盖结构空间跨度相比较小,节点、支座形式较简单。
2008年奥运会摔跤比赛馆总建筑面积约23950平方米,比赛馆平面是一个82.4*94米平面,屋面是反对称的折面,采用巨型门式钢钢架结构,将建筑塑造为富有韵律感的
造型,如图所示。三维整体模型工程屋盖由12榀空间门式钢钢架组成,跨度82.4米,中心距8,0米,钢刚架为四肢组合的格构式结构。构件间的连接节点均为相贯节点,钢架柱(钢管连接于看台部分的钢筋混凝土柱,屋盖结构外形简洁、流畅,节点形式简单,刚度大,几何特性好。
单榀空间门式钢刚架单榀空间门式钢刚架(有连系杆单榀空间门式钢刚架(有连系杆
刚架柱支座 ●空间结构 ●网格结构 ✧网架结构
一:2008奥运会国家体育馆
国家体育馆位于北京奥林匹克公园中心区,建筑面积80 476m2 ,固定座席118 万座,活动座2 000座,用于举办2008 年奥运会的体操、手球比赛,赛后用于举办体育比赛和文艺演出。虽然体育馆在功能上划分为比赛馆和热身馆两部分,但屋盖结构在两个区域连成整体,即采用正交正放的空间网架结构连续跨越比赛馆和热身馆两个区域,形成一个连续跨结构。空间网架结构在南北方向的网格尺寸为815m,东西方向的网格有两种尺寸,其中中间(轴a和○K之间 的网格尺寸为1210m,其他轴的网格尺寸为815m。按照建筑造型要求,网架结构厚度在11518~31973m之间。不包括悬挑结构在内,比赛馆的平面尺寸为114m ×144m,跨度较大,为减小结构用钢量,增加结构刚度,充分发挥结构的空间受力性能,在空间网架结构的下部还布置了双向正交正放的钢索,钢索通过钢桅杆与其上部的网架结构相连,形成双向张弦空间网格结构。其中最长桅杆的长度为91237m,钢索形状根据桅杆高度通过圆弧拟合确定。在
热身馆区域,不包括悬挑结构,结构跨度为51m ×63m,跨度较小,空间网架结构的高度与跨度比较
协调,不需要在网架结构下部布置钢索。图2 是结构布置图。
在网架结构的上弦平面内,除布置正交正放的上弦杆件外,还布置了菱形支撑杆件。菱形支撑的四个角点均位于上弦节间的中点,该点也是网架斜腹杆的上弦点。其中在比赛馆的四周边界满布菱形支撑,在内部跳格布置菱形支撑;在热身馆区域,仅在四周边界布置菱形支撑。由于比赛馆内的菱形支撑没有连续布置,为进一步提高上弦面的稳定性,通过隅撑和檩条系
统将菱形支撑连成整体,组成完整的上弦面内支撑体系(见图2(a。在网架结构的下弦面内,沿四周边界布置交叉支撑(见图2(b。除在四周边设有支座外,在热身区域和比赛区域交界处还有一排柱子支承,整个屋盖结构为东西方向单跨简支,南北方向两跨简支。具体支座的方式为在屋盖结构的8 个角点为三向固定球铰支座,其余为单向(法向 滑动球铰支座
或双向滑动支座。
a 上弦杆 c 悬索和杆件的布置图 b 下弦杆
d 1_1 e 2_2 二:上海世博会主题馆
上海世博会主题馆地上建筑面积约8万m2,地下建筑面积约4.8万ITl2,建筑高度为26.30 m。
主题馆平面水平投影为矩形,南北向长217.8 mC包括南北两侧各18.9 m悬挑屋檐。东西向长288 m。其中,屋面南北方向由6个V形折板单元组成波浪形屋面,每个折板单元的波长为36 ITI,矢高3 ITI,波脊标高为26.3 Fn,波谷标高为
23.3 m。
屋面由西侧展厅屋面、中厅屋面、东侧展厅屋面以及挑檐四部分构成。西侧展厅沿屋面南北向每间隔18 ITI布置一道预应力张弦桁架。预应力桁架结构高11.5 ITI,上部刚性杆件结构断面为正三角形立体桁架,高3 1TI、宽3 ITI,下部距预应力桁架两端45 1TI处各设置了两对空间V形撑杆,见图3。中庭及东部展厅自西向东结构的支承跨度依次为54,45,45 m,将西侧展厅预应力桁架的刚性上弦即3 m高的正三角形立体桁架向东侧屋面延伸连续布置,从而形成长度为270 m的四跨连续桁架梁[1],见图3。檩条一端连接于桁架上弦节点、另一端连接于桁架的下弦节点;在檩
条结构层内满堂布置约18 1TI×18 m的交叉支撑,见图4。建筑③,@轴的外侧南北挑檐外挑约18.9 m,挑檐结构轴测图见图5。屋盖结构通过抗震球铰支座支承在下部钢结构柱柱顶,由西向东屋面桁架分别支承于⑩轴、⑨轴、⑩轴、④轴和⑤轴柱的柱顶。其中⑨轴和⑩轴柱顶支座为固定球铰支座,⑩轴、⑦轴和⑤轴柱顶采用施工过程中滑动,待屋面围护结构和幕墙结构安装完成后,再进行固定,使支座的工作模式变为固定铰支座,屋盖结构能与下部支承结构更好地协同工作。
屋面结构东西向剖面
屋面檩条及支撑布置挑檐结构轴侧示意屋盖单独模型
主题馆下部结构采用钢框架结构,柱子为方钢管截面,柱间支撑采用了钢支撑和阻尼器支撑的混合支撑体系。
三:广州亚运会台球壁球综合馆 温度缝的设置 节点设计
四:2008奥运会鸟巢
国家体育场建筑体形上像鸟巢新颖独特,具有一定的独创性。可容纳8万人(奥运会期间可容纳10万人。平面为椭圆形,长轴340m短轴292m。屋盖中间设185.3mX127.5m开口。
整体承重结构由一系列门式刚架绕着内环旋转而成,这种结构布置形成一种三维空间承重体系。每一榀刚架由高12m的屋盖桁架和三角形桁架柱组成,均采用加肋薄壁箱形截面,为了形成鸟巢效果主桁架上弦上还设有交叉的次要构件,也采用箱形截面。总用钢量现已优化到4.2万t。较前降低了1.2万t。
网壳结构
一:北京老山奥运自行车馆
屋盖结构采用双层球面网壳结构。网壳跨度133.06m,沿周边外挑8.238m,矢高14.69m, 总投影面积约17000m2。网壳通过24对人字型柱支承于沿周边均匀分布的24根钢筋混凝土柱柱顶,人字型柱柱顶设置钢结构圈梁,利用网壳外挑部分设置圈梁桁架。钢筋混凝土柱柱顶标高+7.15m,网壳最高点标高+35.49m。网壳采用四角锥网格,最大网格尺寸为
4.96m×4.24m,厚度2.8m。
屋面采用轻型金属屋面板,局部为玻璃采光屋面。网壳采用焊接球节点,最大杆件为
Φ219×14,最大球节点为D650×30,用钢量约为95kg/m2,其中双层球面网壳部分为60kg/m2,人字型柱及钢结构圈梁35kg/m2。
其设计及施工创新点有下列几方面: •老山自行车馆屋盖采用的带人字型柱的双层球面网壳结构概念清晰、传力明确、应力分布合理,具有良好的抗震性能和稳定性能;•环梁与柱脚铸钢球铰支座有效的减小了网壳对支柱及基础的推力,同时也解决了大跨度网架结构的温度应力问题;•设置肋板与垫板提高了环梁大直径圆钢管(D=1200相贯节点抵抗局部失稳的能力,缓
解了节点相贯处的局部应力集中,有效的提高了节点的复杂应力作用下的承载能;•该网壳结构采用了外扩拼装及圆形拔杆群接力提升就位的安装方法,该方法简便可行、易于控制安装精度且施工费用低。
二:2008奥运会乒乓球馆
该体育馆屋盖的造型充分考虑了中国传统建筑特色和北京的城市建筑风格(图1 ,在建
筑形象上抽象地表达了乒乓球比赛的特点。整个屋盖的屋檐水平投影为9312m×72m 的矩形,长边屋檐向外挑出4m,短边屋檐外挑616m,屋檐的直线部分建筑标高为2114m,弧形部分屋檐的最高点标高为2815m。中央球壳的矢高为7m,其支承边界的直径24m,球冠标高为3313m。球壳覆面材料为玻璃,这就可以让自然光线穿过中央球壳照入室内。连接球壳边界与弧形屋檐高点的两条由低到高螺旋状的屋脊与透明的中央球壳成为屋盖建筑造型的特点,象征着乒乓球对速度、力量、旋转的综合要求。屋面其余部分由屋檐、屋脊、球壳构成其曲面边界,其曲面造型随这些边界形状的变化而渐变。整个屋面由于两条屋脊的旋转起伏形成了在空间上呈反对称的异形扁壳曲面。
作为奥运史上第一个乒乓球专用比赛场馆,北京大学体育馆的屋面造型非常独特(图1。该屋面除了中央矢高为7m,跨度为24m 的中央球壳为球面外,其余的屋面部分无法采用解析曲面对其进行描述。然而屋面曲面形态的准确描述是屋盖结构选型、构件定位、排水设计、屋面施工的基础。为此,首先采用了NURBS技术完成其屋面的曲面形态设计。该体育馆中央球壳的标高为3313m,球壳周边的圆形支承边界的标高为2613m,旋转屋脊低端与中央球壳的圆支承边界相切,高端在屋檐处的最高点标高为2815m。两条短边直线屋檐的标高为2114m,两条
长边屋檐直线部分的标高也是2114m,曲线部分由两段相切的弧线组成,最高点为2815m。整个屋面即由中央球壳支承边界、两条旋转起伏的异形屋脊、四条异形屋檐构成了其曲面的边界(图2。在曲面建模程序中,首先完成上述曲面边界曲线的建模,作为屋面形态设计的主控制线,其中两条旋转屋脊采用样条曲线描述,其余的边界采用直线和圆弧进行描述。然后对屋面进行分区(图3 ,利用屋面呈反对称的特点,将屋面分解为几个具有异形边界的细分子域,每个子域的曲面形态即由其异形边界的曲率控制。结构体系与布置
在充分分析屋盖建筑造型特点的基础上,经多次方案论证,屋盖结构采用预应力平面桁架壳体(图6。结合下部的混凝土结构柱网布置,共布置了32 榀辐射桁架,辐射
桁架外端的竖腹杆(立柱 与下部混凝土结构的柱中心对齐,并通过抗震球铰支座支承于混凝土结构的柱顶,支座中心的水平投影位于64m×80m的矩形上;辐射桁架内端由中心标高2613m、内径24m、断面宽2m、高5m的菱形受压刚性环连接成整体,进而形成中央球壳的支承结构。为了使结构造型与所取曲面形态一致,充分利用桁架结构建筑造型适应能力强的特点,将桁架上弦杆计成其轴线位于屋面曲面内的复杂曲线形状,下弦与上弦平行,桁架高215m,腹杆布置方式确保了较长的斜腹杆受拉,较短的竖腹杆受压。与每榀辐射桁架对应,在其下部设32 根预应力辐射拉索,拉索外端锚固于辐射桁架下弦与支座相邻的节点处,内端连接于标高2213m、内径26m 的水平受拉刚性环上。受拉刚性环通过高4m 的人字型受压撑杆与受压刚性环的下弦杆连接,从而将下部张拉索系与上部组合壳体组合成整体,形成杂交张拉结构体系。在施工安装阶段,通过张拉拉索对结构施加预应力,从而使人字型撑杆受压,实现对壳体反向加载,相当于对结构卸载,使结构产生与竖向荷载作用相反的内力和变形;在附加恒载和使用荷载作用下,壳体和拉索共同工作抵抗荷载,拉索、撑杆构成上层壳体的弹性支承。由于上述拉索预应力和弹性支承的共同作用,使得最终壳体的内力和变形明显减小,实现对壳体应力和变形的主动控制,从而大大提高了结构效率。
水平受拉的刚性环为截面宽115m的平面桁架,其两根弦杆为<426 ×20 ,腹杆为<203 ×。在受力上,受拉刚性环主要在水平方向承担拉索锚固端传来的水平拉力,在竖向通过人字型撑杆与受压刚性环整体协同工作,形成了上部受压、下部受拉的高9m 的筒状刚性环。在使
用功能上,受拉的刚性环同时兼作吊挂灯具设备的马道。
中央球壳为跨度24m、矢高为7m 的单层钢管壳体,网格的水平投影尺寸为2m ×2m,钢管规格为<159×6 ,钢管之间的连接采用直接相贯焊接。球壳沿周边支承在受压刚性环内侧中弦杆的节点上。而辐射桁架的上、下弦杆分别与受压刚性环的外侧中弦杆、下弦杆连接,这就可以通过受压刚性环的空间协调受力作用实现中央球壳的荷载向辐射桁架传递。
为了使整个屋盖结构具有足够的空间承载刚度、各榀辐射桁架能协同受力,沿环向布置了6 道水平间距约为5m的同心环向支撑桁架,并在桁架上弦平面内布置联方形交叉支撑,这样布置的支撑体系一方面在宏观上可以有效地提高壳体面内的剪切刚度,形成空间受力体系,另一方面可以防止辐射桁架上、下弦杆发生出平面的屈曲(图6(d。
鉴于扁平的屋盖壳体在支座节点处将对下部混凝土结构产生较大的推力,32 个抗震球铰支座中除了4个角点处的支座为固定铰支座外,其余28 个支座均为单向滑动支座,长边支座沿y 方向滑动,短边支座沿x方向滑动。这样在活荷载、风荷载、雪荷载和多遇地震作用下,屋盖就不会在下部混凝土结构抗推承载力较弱的方向对下部框架产生推力,减小下部结构的梁柱截面。支座滑动对屋盖结构支承刚度的削弱,由锚固于临近支座的辐射拉索来弥补。为防止罕遇地震作用下滑动支座脱落,通过限位措施,限制滑动支座的滑程为±70mm。
屋盖钢结构杆件采用Q345B 级钢的圆钢管,杆件详细规格见表2 ,所有杆件节点形式为空间相贯节点。拉索采用了破断强度为1 670MPa 的半平行钢丝束拉索,由151 根<5 的钢丝经大节距扭绞而成,其等效直径约60mm。
屋盖结构平面辐射桁架轴测图拉索、受拉刚性环及撑杆轴测图屋面支撑体系轴测图
屋盖结构剖面图刚性环整体轴测图 三:上海世博会阿联酋馆
世博阿联酋馆建筑高度为 20m, 总建筑面积为3457m2。阿联酋馆的屋盖由四部分组 成:不透光部分(沙丘正面、天 窗部分(沙丘背面、中央步行 道屋面与入口处的悬挑雨篷(详 见图2~4 ,屋盖结构关于轴对 称。沙丘不透光部分为单层网壳
结构,三角形网格的尺寸基本为2m ×2m ×2m,每个网格的三个角点作为屋面系统的支承点。网壳杆件截面为矩形钢管,截面尺寸为240mm ×80mm,壁厚为8 ~12mm,材料为Q345B。
网壳节点处,钢管的端部设置拧螺栓的施工孔,并焊有ZG20SiMn的铸钢件,铸钢件上设置螺栓孔。对应铸钢件的上下部分分别设置圆环形连接件,连接件采用45 号钢。铸钢件与圆环
形连接件通过1019级的高强螺栓连接,螺栓规格主要为2M24,部分为2M27,并按照钢结构设计规范要求施加预紧力。节点构造详图6,该节点为典型的半刚性节点。
弦支穹顶
一:2008奥运会羽毛球馆
2008奥运会羽毛球馆弦支穹顶结构已经建成并投入使用.是世界上最大跨度的弦支穹顶结构,如图1.3所示。该馆采用经济合理的联方.凯威特型弦支穹顶结构体系,跨度为93m,矢跨比未1111.9。上层为单层网壳,下部布置5圈预应力索杆体系,撑杆高度为3.9m∞H 州。2008年奥运会羽毛球馆位于北京工业大学,总建筑面积24383 m2,其中,地下2580m2,基地面积24383 m2,·总用地面积66124m2,体育馆规划用地面积为44355朋2。总坐席数7508席,其中固定席位5480席,临时席位2028席。建筑总高:最高点为25.95m,檐口高14.83m。建筑层数:地上2层,地下1层,屋盖采用联方一凯威特型弦支穹顶结构体系,跨度为93.0In,矢高9.3m,矢跨比为1/10。上弦为联方一凯威特型组合单层球面网壳,下部布置五圈索体系,撑杆高度为3.9m。网壳的环向杆件采用0245x9,径向杆件采用0245×10,撑杆采用①159x6的Q345c钢管。环向索从外到内分别采用拉索SNS/S一7x199,5x139,5x139,5x61, 5x61。径向索最外圈采用SNS/S一5x61,其余四圈采用SNS/S一5x37。钢管的弹性模量
E=2.06e11N/m2,索的弹性模量E=1.9e11N/m2。初拉力通过施加单元初应变引入,径向索的初拉力通过环向索间接引入。网壳节点为刚接,撑杆与网壳的连接点和撑杆与索的连接点为铰接,边缘支撑采用刚性环桁架梁。
由于施工方法的限制,上层网壳的安装定位依靠布置在节点下部的临时支撑
完成，焊接完成后部分结构自重仍由临时支撑承担。
本文计算中采取的计算模型加入了外部2.4m的悬挑部分,悬挑部分采用了“羽毛主径’’的变截面H型梁,沿梁长方向,梁截面高度、宽度均呈线性变化,翼缘厚度根据应力大小分段变化,钢梁腹板开圆孔,孔径为梁截面高度的2/3,沿梁长方向分步,中心距离为2倍孔径。钢梁材质为Q345B,截面尺寸为H850x 350×12×20,-,300x 250x 12×18,H600x 300×10x 14-,300x 250x 10×12。
膜结构
一:上海世博会世博轴 1 工程概况
2010年上海世博会世博轴及地下综合体工程,位于世博会浦东园区核心, 南北长1045m, 东西宽地下
995~ 1105m, 地上80m。世博轴 顶棚包括两个 不同类型的结构 体系: 索膜结构 和6个建筑造型独 特的钢结构!阳光
谷∀, 6个阳光谷共提供给膜结构18个支撑点, 将两者结合成整个顶棚结构(图1、2。索膜顶棚覆盖了105m 标高平台层的大部分空间, 起到遮阳挡雨的功能, 满足大量人流安全、舒适地从地上出入园、等候、安检、票检、休憩餐饮的需要。膜面结构造型轻盈优雅, 与通透挺拔的阳光谷浑然天成。
图2索膜结构模型图3顶棚平面图图 4建筑纵剖面图 顶棚结构平面图、剖面图见图3~ 5。2结构体系
索膜顶棚采用连续的张拉式索膜结构体系, 总长度约840m, 最大跨度约97m, 膜面总投影面积约61000m2, 展开总面积约65000m2, 单块膜最大展开面积约1800m2, 膜面单元一般呈三角形。膜材采用A级PTFE膜。
索膜结构边索单跨最大约80m, 脊索最大跨度约115m, 为大跨度柔性结构。膜顶主要由承重作用的脊索、边索和稳定作用的张拉膜构成(图6, 1根边索、2根脊索和膜形成了三角
形为顶面的倒锥台状,膜面为双向曲面, 膜焊
缝主要沿经向放射形布置。整个膜顶支承于外
桅杆、内桅杆及阳光谷钢结构上。
索膜结构的最高点由26组外桅杆和背索、部分阳光谷的连接点构成, 最低点由19组内桅杆下拉点、5组外桅杆和背索、部分阳光谷的连接点构成。外桅杆一般高度为35m, 紧邻中间4个阳光谷均有1根较低的外桅杆(高度为17m , 阳光谷SV5、SV6之间外桅杆高度为38m。下拉点处, 膜在18m 或21m 标高处固定在下拉钢环上(钢环直径5m , 钢环支承于内桅杆。内桅杆的增设, 主要控制风荷载作用下膜下拉处的水平位移及向下位移。内桅杆与外桅杆顶部由水平索连接, 水平索的增设, 协调了内外桅杆的水平位移, 由背索、外桅杆、水平索、内桅杆、外桅杆、背索形成了稳定的结构体系。内桅杆顶部设斜吊索与谷索相连, 以控制膜的向下位移。索膜顶棚两端4片膜为四边形, 每片膜对角线设有1根抗风索。支于边索的膜片上设有1根抗风的短谷索。外桅杆后背索最粗, 为155, 脊
索为110, 边索为70, 谷索为65。
图29 1号节点处背索破坏后膜面变形
注: 图中数值为1号节点处背索破坏后各索内力值, 图301号节点处背索破坏后索内力分析(单位: kN 二:2008奥运会水立方
国家游泳中心建筑体形简单,为170m x170m x29m方盒子状,屋盖厚7m,墙厚5.4m,可容纳1.7万人,外墙及屋面的填充单元是由十二面体和十四面体组合而成的异型网格或称WP 多面体(Weaire-phelan,然后再按一定角度斜切成水泡状网格。既有上弦,也有下弦,中间为腹杆。网格内外均铺设透明的ETFE充气膜膜枕,赋以整个建筑以晶莹剔透的外表,这种结构又称之为“水立方”(Water Cube。杆件仍用传统的方钢管(上下弦及圆钢管(腹杆,而节点大多数为我国采用最普遍的常规和异型焊接空心球节点。
•在建筑结构中采用WP多面体网格达到水泡效果为空间网格结构大家庭增加一员堪称一大创新;•网格杆件采用圆钢管及方钢管,由于除受轴力外还有弯矩及扭矩存在,端部需加强.,与此
大跨结构抗震设计方法的研究 篇6
超长大跨空间结构广泛应用于机库、航站楼和火车站等建筑。常见的空间结构通常包括薄壳结构、网壳结构、网架结构、折板结构、悬索结构、膜结构及其两种或几种组合而成的复合结构。空间结构呈三维状态形式,在荷载作用下表现为三维受力特性,而且重量轻、造价低、抗震性能好等,因此成为解决大跨度建筑结构最具有竞争性的结构类型,在国内外应用非常广泛。
网架和网壳结构是大跨空间结构中发展最快、应用最广形式。其主要优点是结构组成方式灵活多样,几何规律性极高,可适应各种建筑造型要求;形式多样,体系复杂,导致在抗震动力计算尚无合理的简化动力模型,仍是沿用多高层的抗震分析方法。但是,网格结构的频率密集,振型复杂,一般前数十多阶振型都可能对地震响应有显著影响,而目前尚没有可准确计算的方法,网格结构等大跨度空间结构的动力特性与普通多高层结构明显不同。
大跨度结构抗震分析比普通跨度困难得多,关键必须考虑三个特殊因素:(1)行波效应,典型的地震波波长一般为100~1000米,而大跨度结构的跨长一般为上百乃至上千米。大量研究结论:当结构的跨度达到或超过地震波长的1/4时,结构的所有地面节点就不能认为是均匀一致运动,必须考虑不同面节点之间的运动相位差。在任意两个地面节点之间,不同频率的谐波分量之间的相位差并不相同,这一特点使波形效应为复杂。(2)部分相干效应由于诸如土壤介质的不均匀性,地震波在土壤介质中不均匀的反射和折射等各种因素造成不同地面节点之间相干性的损失。(3)局部效应包围某一个或少数几个支座的场地性质变化导致局部土层对基岩激励放大作用的突变。
空间结构的计算理论涉及弹性地震响应分析、弹塑性地震响应分析、倒塌破坏分析和经济性分析。
2大跨度空间结构抗震设计方法进展
2.1基于承载力设计方法
拟静力方法,将地震对建筑物的作用简化为等效荷载(静力),然后按照静力学的方法进行结构内力和位移的计算,从而验证结构的抗震承载力和变形。也称为等效荷载法。这种方法认为地震作用下等于建筑物重量与地面加速度的乘积,沿建筑高度均匀分布。没有考虑结构的动力效应,仅仅考虑地面加速度按地震烈度分区计算。大跨度结构体型、构造多样化,基于静力法的基本假设,可以看出静力法不适用于体型复杂的大跨度空间结构。
振型分解反应谱法是将多种地震影响振型进行叠加考虑的一种分析方法,求解各阶振型对应的等效地震作用,然后按照一定的组合原则对各阶振型的地震作用效应进行组合,从而得到多自由度体系的地震作用效应。根据叠加组合分解方式不同可以分为两种类型计算地震作用:不考虑扭转影响的水平地震作用和考虑平扭藕联效应的地震作用。对于大跨结构而言,竖向地震作用是不可小视,阵型分解反应谱法计算结构的竖向地震作用较好。反应谱理论简单正确地反映了地震动的特性而且同时考虑了结构物的动力特性,所以得到了业界的广泛应用,目前仍然是应用最广泛的一种结构地震反应分析方法,被许多国家的工程结构抗震规范所采用。
静力法把地震作用简化为惯性力,按照弹性理论考虑地震效应,但当结构出现弹塑性状态时就很难合理分析了,我国的抗震规范是采用反应谱法和构造延性措施来保障建筑物的抗震性能的。
2.2时程分析法
时程分析法是对结构物的运动微分方程直接进行逐步积分求解的一种动力分析方法,所以数学上称步步积分法,抗震设计中又称为“动态设计”。此法利用地震地面加速度记录进行抗震分析与设计,能考虑结构的弹性和弹塑性状态,能反映地震动的三大要素(频谱、振幅和持时),所以在复杂工程结构中,尤其大跨结构的抗震分析和设计中得到了广泛的应用,是业界公认的相当准确的分析方法。由时程分析可得到各个质点随时间变化的位移、速度和加速度动力反应,进而计算构件内力和变形的时程变化。由结构基本运动方程输入地面加速度记录进行积分求解,以求得整个时间历程的地震反应的方法。此法输入与结构所在场地相应的地震波作为地震作用,由初始状态开始,一步一步地逐步积分,直至地震作用终了。
此法对结构构件的截面抗震承载力验算和变形验算需要对工程建立基本运动方程,然后输入对应于工程场地的若干条地震加速度记录或人工加速度时程曲线,通过积分运算求得在地面加速度随时间变化期间结构的内力和变形状态随时间变化的全过程,所以计算量特别大,关键是输入地震动的选择及处理方面。大跨结构的工程抗震分析中,时程分析法一般采用基于运动微分方程差分方法。
2.3基于性能/位移设计方法
基于性能设计的基本思想就是使所设计的工程结构在使用期间满足各种预定的性能目标要求,而具体性能要求可根据建筑物和结构的重要性确定。明确描述结构性能状态的物理量主要有:力、位移(刚度)、速度、加速度、能量和损伤。基于性能设计要求能够给出结构在不同强度地震作用下,这些结构性能指标的反应值(需求值),以及结构自身的能力值。尤其当结构进入非弹性阶段时,由于用力(承载力)作为单独的指标难以全面描述结构的非弹性性能及破损状态,而用能量和损伤指标又难以实际应用,因此目前基于性能抗震设计方法的研究主要用位移指标对结构的抗震性能进行控制,称为基于位移抗震设计方法(Displacement Based Design,DBD)。能力谱法是业界认可并推荐的方法之一。
2.4多维多点动力分析
大跨结构在地震作用下表现为多维性和非一致性。球面网壳结构的抗震性能研究验证了,水平和竖向地震对大跨结构的影响都极为明显。所以,对大跨结构的地震反应分析必须考虑水平和竖向地震的多维作用。大跨结构抗震分析从单维分析发展到多维分析。由于地震时地面运动是多维的,同时各方向地震动引起的地震响应一般为同数量级的,因此为更真实地掌握结构地震反应,进行多维地震反应分析非常必要的。
3总结
总之,上述几种大跨结构地震分析方法各千秋。还有许多方法未能细讲,如基于随机振动设计方法、基于损伤和能量的设计方法等。对于大跨度结构抗震设计,一般先从概念设计确定抗震设计的整体方案,然后通过建立计算机模型进行地震响应分析和验算,最后增加抗震构造措施和抗震设计优化,充分保证大跨结构抗震安全。大跨度结构抗震设计是一个涉及问题较多并且相当复杂的工作,这方面方法的研究还有许多方面值得深入研究和探讨。
参考文献
[1]黄鑫.大跨度空间结构抗震设计方法研究[D].天津:天津大学.2007年
[2]王综轶,王元清,杜新喜,温四清,石永久.大跨度空间结构基于性能的抗震设计研究进展[J].全国现代结构工程学术研讨会,2014
大跨钢结构 篇7
关键词：轻钢厂房,夹层结构,结构布置,结构侧移,抗震性能
0引言
随着现代工业厂房的日益复杂化,在一个厂区内往往会将生产线和办公区,甚至生活设施等都集中在一起,厂房向大型化、多功能化发展。这些办公和生活设施层高较低,很少会达到厂房高度,就形成了轻钢厂房内部的夹层结构。当夹层结构与主体结构不是完全分离的,那么在结构设计分析过程中就要考虑夹层对厂房主体结构受力性能的影响。此外,由于厂房主体结构一般为轻钢结构,而夹层结构通常为采用组合楼板的普通钢结构。
目前常见的带夹层轻钢结构主要包括以下几类:立体库工程[4,5],货场库房[6],汽车展厅[7,8],轻钢平台结构[9]等等。在设计过程中,往往存在下列问题[10,11]:1)设计过程中构件计算长度取值的问题;2)夹层结构与主体结构之间连接节点问题;3)结构分析及设计规范选用问题;4)高低跨连接部位以及抗风柱等结构构造处理。为了选择合理的结构布置方案,在结构方案设计阶段可以参考以下几点[12]:1)夹层纵横向钢梁与钢柱均为刚接,夹层梁与厂房钢柱在纵横向也刚接;2)为了避免框架体系对排架体系的影响,尽量采用刚接连接,提高结构整体刚度,减小节点位移。在结构设计过程中,除了按照常规的平面刚架分析计算外,最好采用两种以上的分析程序来对结构进行整体分析[11],而且当前单独的规范规程[1,2,3]尚无法完全满足设计工作需要。
本文以某汽车展厅结构为例,通过对主体结构中几榀有代表性的刚架进行分析,计算了带夹层轻型门式刚架在地震作用下的受力规律,从而探讨带夹层轻钢结构在设计过程中的相关问题。
1工程背景
此工程实例为一汽车展厅,其结构形式为轻型门式刚架,厂房总长度72 m,柱距6 m,门式刚架跨度30 m,屋面坡度1∶9。展厅平面分为三部分,一端A区为汽车展厅,中间B区为办公用房,另一端C区为机修库。沿长度方向在A区和C区两侧分别布置有夹层结构,平面为非对称布置形式。承重构件选材用Q345B钢;支撑、隅撑、系杆、拉条材质为Q235B;檩条、墙梁采用Q235冷弯薄壁型钢。屋面、墙面材料采用压型钢板。结构抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.10g;设计地震分组为第一组。场地类别取为Ⅱ类场地,场地特征周期0.35 s。
2夹层结构抗震性能分析数值模型
建模过程中采用了以下几点假定:1)计算模型按横向平面结构进行计算;2)结构材料假定为理想弹性,结构单元采用杆系单元;3)门钢梁柱节点为刚性节点,柱脚为铰接节点,结构其他连接节点均为铰接节点;4)不考虑建筑外围压型彩钢板的蒙皮效应;5)对承载能力极限状态,按荷载效应的基本组合和偶然组合进行设计;对正常使用极限状态按荷载效应的标准组合进行设计。
选取了结构中有代表性的三榀门式刚架作为计算模型,模型几何参数如图1所示。同时,考虑夹层与门式刚架之间的采用刚接和铰接两种连接方式进行计算分析。
计算模型荷载选取如下:屋面恒载为0.3 kN/m2(不包括刚架自重);屋面活载为0.3 kN/m2;夹层部分恒载5.5 kN/m2;夹层部分活载为2.0 kN/m2;基本风压0.60 kN/m2,地面粗糙度C类;基本雪压为0.4 kN/m2。
在考虑不同荷载工况组合的情况下,通过改变地震作用(地震加速度0.1g～0.4g)和结构层高尺寸(5 m～15 m),来对结构进行分析。计算结果选取图1中各计算模型所示的Ⓑ轴线柱顶侧移比(H/V)进行对比。
3计算结果分析
3.1 单侧布置夹层模型结果
单侧布置夹层采用刚性连接见图2a),铰接见图2b)。由图2a)可以看出,在夹层梁与主体门钢柱采用刚接连接的情况下,随着地震作用增加结构侧移增大较明显,而不同层高情况下,结构侧移差异比较小。由图2b)可以看出,当夹层梁采用铰接连接时,结构侧移明显要比夹层梁采用刚接的结果大。这说明采用刚接连接节点对结构整体受力有利,对结构抗震有利。
3.2 两侧对称布置夹层结果
夹层在门式刚架两侧对称布置计算结果见图3。从图3中可以看出,门式刚架两侧均布置夹层结构时,随着地震作用的增加,柱顶侧移变化规律与单侧布置夹层门钢结构变化规律一致。对比图3a)和图3b)可以发现,采用刚接连接节点时的结构侧移要小于采用铰接节点时的结果。对比图3与图2可见,在两侧对称布置夹层时,无论是刚接还是铰接,在地震加速度为0.1g时,层高变化对柱顶位移比均小于相同连接方式的单侧布置夹层。这说明两侧对称布置夹层,对减小地震作用要优于采用夹层单侧布置。随着地震加速度的增大,夹层两侧对称布置对减小柱顶位移比的作用减小,说明在地震加速度较高的情况下,夹层布置对整体结构的抗震性能影响不是很大。故夹层的布置形式、布置位置在不同的抗震设防区域需要区别对待,才可取得经济和技术上的效果。
3.3 两侧非对称布置夹层结果
在门式刚架两侧采用非对称的夹层布置方案计算结果见图4。
对比图4a)和图4b)可以看出,采用刚接连接的结构侧移要远小于铰接连接的结构侧移。无论刚接与铰接连接,采用门刚两侧非对称布置夹层计算得到的结构侧移与前两种模型的规律一致。
4结语
通过对某带夹层的大跨轻钢结构厂房的对比分析,可以得到如下结论:
1)在相同的地震作用下,夹层不同布置形式和布置位置,对结构侧移结果随着地震加速度的增大而减小。夹层的布置形式、布置位置在不同的抗震设防区域需要区别对待,才可取得经济和技术上的效果;
2)夹层结构与整体门刚结构采用刚接连接节点计算得到的结构侧移要远小于采用铰接连接节点的结果。刚接或铰接的连接形式对带夹层轻钢门式刚架结构的抗震性能有较大影响,故在设计过程中要妥善处理夹层结构与主体结构的连接关系;
大跨张弦梁结构动力特性分析 篇8
关键词：张弦梁结构,有限元模型,动力特性,振型,刚度
1 概述
张弦梁结构 (Beam String Structure, 简称BSS) 是由弦、撑杆和压弯构件组合而成的新型自平衡体系, 首次在20世纪80年代初由日本大学M.Saitoh[1]教授提出。它具有承载能力高, 使用荷载作用下变形小, 自平衡功能, 结构稳定性强, 建筑造型适应性强, 制作、运输、施工方便等特点。被广泛应用于大跨空间结构, 如体育馆、展览馆、机场馆等结构中, 如国内的上海浦东国际机场航站楼屋盖、广州国际会展中心、哈尔滨国际会展中心等。
大跨张弦梁结构屋面具有质量轻、柔性大、小阻尼及低固有频率等特点[2], 与传统的结构相比这种结构对动力荷载 (地震荷载、风荷载等) 作用敏感性增强。其在水平荷载 (如地震荷载、风荷载) 作用下的结构响应与其自身的动力特性密切相关;同时动力特性又是衡量一个结构的质量和刚度分布是否合理的重要指标, 准确控制能有效降低或减小结构共振的危险。
本文以位于广州的某大跨张弦梁结构为分析对象, 通过对一个区的整个屋盖进行了有限元模态分析, 从而获得其准确的动力性能, 为其他类似工程的设计、施工做技术参考。
2 大跨张弦梁结构简介
本文涉及的张弦梁结构跨度为126.6 m, 平行布置的单向张弦梁通过刚度很大的檩条及水平支撑构成整个屋盖系统。张弦梁的上弦梁采用倒三角形断面的空间钢管桁架, 管径分别为2457×10 (14) mm和480×8 (14, 19) mm。空间钢管桁架上弦两根管中心距离为3 m等宽, 跨中矢高为3 m, 端部矢高为2 m。腹杆采用168×6 (9) mm和237×9 mm的钢管。竖向撑杆为333355××88 mmmm的的钢钢管管。。屋屋面面檩檩条条采采用用焊焊接接HH型型钢钢, , 截截面面为为HH550000××200×10×16。水平支撑采用219×6.5 mm的钢管。除拉索外, 其他构件采用国产Q345-B低合金钢;索直径为165 mm, 由3377的钢丝加工而成, 材料为国产高强冷拔镀锌钢丝, 设计强度为1 570 MPa, 极限承载力为2 000 t。张弦空间桁架通过铸钢节点简支在钢筋混凝土柱上 (高端为固定铰支座, 低端为滑动支座) , 结构跨度为126.6 m, 桁架两端高差为3.2 m。
3 有限元数值计算
3.1 参数定义
准确的有限元模型是正确分析结构动力特性的关键[3,4], 而KK型相贯节点采用全刚接更为合理[5]。采用Beam188梁单元、Link8杆单元、Link10单元分别模拟了上弦桁架的弦杆、屋面檩条、端部桁架弦杆;桁架腹杆、撑杆、屋面水平支撑以及下弦索。下弦索为3377的钢丝, 弹性模量用Ec表示, 保守取值为190 GPa;除索之外的材料均为Q345-B钢, 为理想弹塑性本构模型。采用mass21模拟屋面板及设备的质量。高端支座为固定铰支座, 低端支座为滑动支座。有限元分析计算模型见图1。
3.2 动力特性分析
本本文文有有限限元元分分析析时时采采用用子子空空间间迭迭代代法法[[66]], , 该方法是进行大型结构有限元计算的主要方法与最为有效的方法之一, 其可根据不同的精度要求获得体系的自振周期与振型。该方法通常用于结构频率范围难以估计, 且无法选择主自由度的情况;同时具有对初始迭代向量的选择要求不高、计算特征个数不受限制等优点。在子空间迭代法中, 前p阶频率及振型满足以下的特征方程:
其中, [K]为结构刚度矩阵;[M]为结构质量矩阵;ωi为第i阶固有频率;为振型。根据振型正交原理, 可得:
子空间迭代法通过与Ritz法结合, 使参加的振型逐渐逼近特征空间, 故可根据任意的精度求解振型。本文采用ANSYS中的雅可比共扼梯度求解器JCG[7]实现振型的求解, 获得了前16阶模态。
对于线性结构, 其在动力荷载作用下的响应可以通过各阶振型模态结果叠加而成, 因此结构动力特性分析是否合理关键在于各阶振型结果是否合理性[8]。对于大跨结构而言, 其竖向振动为其主要的控制振动模态, 也就是说模态计算的关键是获得其竖向变形模态。
4 结果分析
表1给出了前16阶自振频率结果。从表1可以看出:在前12阶振型模态中以水平向的振动为主, 究其原因主要是因为该张弦梁结构下部的撑杆和预应力索平面外约束很弱, 造成这种局部模态;整个屋盖系统的自振频率较小, 而且振型频率比较密集;对于竖向承重结构起主要控制的竖向模态从13阶开始。便于讨论, 图2给出了前4阶竖向振动模态。
从图2可以看出:屋盖竖向一阶模态为整体呈半波形;随着模态阶次提高, 钢屋盖在竖向平面内呈明显的正弦波交替出现, 类似于拱的振动模态。
通过对以上的自振周期和自振特性计算结果分析后得知:1) 大跨张弦梁结构由于水平向抗侧刚度较弱, 出现明显的局部振动模态;2) 局部模态所占能量较低, 结构主振动以竖向整体振动为主;3) 结构扭转模态出现的很少, 说明钢屋盖的抗扭刚度比较大, 具有良好的抗扭转能力。
5 结语
通过对典型大跨张弦梁结构的有限元动力特性分析, 获得了结构的前16阶自振周期及振型。从自振频率可以看出:1) 张弦梁钢屋盖竖向刚度比较弱;2) 由于设置了刚度大的檩条和水平支撑, 钢屋盖具有较高的抗扭刚度和抗侧刚度。本文采用的是有限元计算, 在模拟的过程中采用的假设与实际不完全一致, 建议对钢屋盖做现场实测, 以获得更准确的动力特性。
参考文献
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[7]宋勇.ANSYS7.0有限元分析[M].北京:清华大学出版社, 2003.
复合材料大跨结构新体系研究 篇9
21世纪，东亚尤其是中国已成为世界所瞩目的一个最有活力和充满希望的地区。中国经济的迅速发展对建造大跨度建筑提出了更高的要求，将需要建造更多、跨度更大的大跨建筑，如：体育馆、展览馆、飞机库、候车厅、候机楼、大型室内游乐中心、商业中心等。这些大跨度建筑结构所要求的共同特点是：造型美观、结构轻巧、受力合理、安装简便、实用耐久，所以今后若干年，我国在大跨度空间结构发展方面必须做到在结构形式上新颖合理，材料选用上高强耐久，理论分析上应用最新技术和方法。大跨度空间结构涉及到各种复杂的结构形式并与各种新颖建材的发展密不可分，这是一门将材料科学、结构力学分析方法与理论、高水平的安装技术融于一体的综合性高技术学科。今后若干年，在大跨度空间结构的研究与开发方面迫切需要解决的问题是，对新颖的结构开展结构性能研究与实践，开发研究新型建材———复合材料，即：复合材料大跨结构新体系的研究。
复合材料具有比强度比刚度大、性能可设计性、易加工成型、抗腐蚀抗疲劳和原材料来源广泛等优越性能。复合材料作为结构材料比传统材料自重轻20%～50%，并有功能性能和承力结构兼顾的特点，因此它的应用日益广泛，从高技术的宇航、航天、航空、国防到国民经济的各个领域得到了广泛的应用，并且已经进入建筑结构领域，近年来发展尤其迅速。据统计，先进的复合材料每年以30%的速度增长，预计2030年，复合材料的应用将占结构材料总价值的50%，这在科学技术发展中将出现可以和空间时代、信息时代相呼应的新材料时代。
2 复合材料及大跨结构
复合材料是指两种以上的材料组合在一起形成的非均匀材料。在现代工业界，复合材料是指人工制造合成的二相或多相材料，通常一相为加强材料，另一相为基质。常用的加强材料有玻璃、铜、石墨或碳化硅。常用的基质材料有各类聚合物，如高分子聚合物、低分子聚合物、热固性聚合物和金属、陶瓷等。加强材料通常采用纤维或颗粒两种形式。在工业界最常采用的复合材料是加强纤维复合材料。复合材料的发展历史不长，最早的复合材料产生于1939年，是玻璃纤维复合材料，从1959开始，工业界开始生产和应用复合材料。
复合材料产生和发展的基本思想是充分发挥加强材料和基质的不同材料特性，并将其有机组合，使复合材料具有传统材料所不具备的物理化学及力学特性。由于有机组合了不同性质的材料，因此复合材料具有传统材料(如钢材)无法比拟的优点，其最重要的优点是具有非常高的强度对重量比及刚度对重量比。此外复合材料还具有成型方便、耐腐蚀、防震隔热、隔音、可智能化等特点，是建筑结构领域可用的理想材料。因此许多发达国家非常重视复合材料在建筑物中的应用研究，目前实际工程中也已得到大量应用。
大跨结构的发展是和人类生活、生产的需要，科学技术水平以及物质条件的发展紧密相连的。近30年来，各种类型的大跨空间结构在美、日、欧发展很快，建筑物的跨度和规模越来越大，采用了许多新材料新技术，创造了丰富的空间结构形式。大跨度建筑物现在日益增多，体育场、飞机场、车站、博物馆、展览馆、影剧院、大型商场、大型厂房等大跨度、超大跨度建筑物在国外广泛应用各类先进的结构形式和复合材料建造，高强轻质复合材料和新的结构形式结合日益成为大跨结构的发展趋势。
3 复合材料大跨结构的现状
由于复合材料所具有的一系列优点，其在大跨结构领域的应用日益广泛。在体育馆建筑中，1976年建造的直径140米的意大利米兰体育馆和1977年建造的沙特阿拉伯首都利雅得的奥林匹克体育城，都大量合理使用了玻璃纤维增强复合材料，后者体育城中可容纳8万人的超大规模的体育馆，其整体索网屋顶的网格结构每一节都衬有涂覆聚四乙烯的玻璃纤维衬垫，而整个索网则采用玻璃纤维增强复合材料作为覆盖层结构。这些复合材料的应用取得了很好的效果。
目前国外已经开始建造新型的碳纤维与玻璃纤维混合复合材料结构建筑物，甚至是全复合材料大跨度结构建筑物，如美国的开合式银顶体育场。先进的复合材料如碳纤维增强中等强度复合材料，密度只有钢材的五分之一左右，而抗拉强度比高强度钢材还要高出一倍以上，因此复合材料是建造大跨度建筑的理想选材。这一点在大跨度桥梁的建设中也得到验证：瑞典科学家在规划和设计跨越直布罗陀海峡的碳纤维复合材料结构斜拉桥，桥长16万2千米，主跨1400米。由于应用先进的复合材料，使桥的自重应力占总设计应力的比例，由使用钢筋混凝土的80%下降到了20%。目前，日本和韩国也在设计跨越两国的复合材料跨海大桥。
我国大跨空间结构的基础比较薄弱，但随着国家经济实力的增强和社会发展的需要，近10年来也取得了迅猛的发展。工程实践的数量增多，空间结构的形式趋向多元化，相应的理论研究和设计技术也逐步完善。以北京2008年奥运会体育场馆为代表的一系列大跨建筑，正在设计和建造中。这些建筑采用的结构形式多种多样，如网架结构、网壳结构、悬索结构和薄膜结构等等。除了这些常用空间大跨结构体系外，各种新型空间结构体系，如可展开折叠结构、开合屋盖结构、张拉整体结构以及各种混合结构体系等，在体育场馆、展览馆、飞机库、厂房等建筑中也得到广泛应用。
然而，由于现有传统材料的性能和自重限制，使得大跨度结构的成本居高不下，这就要求工程科技人员加强复合材料大跨新体系的研究和运用。近几年在我国发展比较快的薄膜结构就是一种复合材料大跨结构体系，其是以建筑膜材作为主要受力构件的结构。如1997年建造的上海8万人体育场，屋面共有57个由8根拉索和一根立柱覆以复合材料的膜材组成的伞状单体，膜的覆盖面积2.89万平方米。另外，还有一些用到复合材料的薄膜结构工程，如1997年建成的长沙世界之窗，1998年建造的深圳欢乐谷中心表演场，1999年建成的上海虹口体育场和2000年建成的青岛颐中体育场等等。这些薄膜结构是以高强度、耐高低温、透光、防水、阻燃、气密、抗老化的化纤或玻纤织物等复合材料作为建筑的主体或屋面材料，既是结构材料又是围护材料。由于充分发挥了复合材料抗拉强度高的特性，既能做到材料轻、跨度大、抗震性能好，而且用料少，施工简捷，避免了大量内外装修的工作。另外，使用复合材料薄膜的大跨度无柱室内空间光线明亮而柔和，置身其中具有置身室外的自然亲切感。
薄膜结构只是复合材料大跨体系结构中常见的一种，其它类型的复合材料大跨新体系结构在国内也有一定的发展，如在穹顶结构、索支撑玻璃结构等新结构体系中都有复合材料的使用。随着我国国力的不断增强，需要建造更多应用复合材料的体育、休闲、展览、机库等大跨建筑物，这是我国复合材料大跨结构领域面临的巨大机遇。
4 新传力形式的复合材料结构体系的研究探讨
新型大跨度复合材料结构体系就是，利用先进的复合材料如碳纤维复合材料等自重轻、比刚度比强度高、结构可设计性强、耐腐蚀、抗衰老、不蠕变等优越性能，应用航空航天已成熟的先进工艺方法，设计建造大跨度结构物。结构承力和传力件与蒙皮合二为一，共同承受荷载和传递荷载。结构支掌、连接、表面一次现场合成，使得结构性能及稳定性大幅度提高，跨度更大，结构造型更多样，同时工期也大大缩短。
使用复合材料，必须利用复合材料抗拉强度高、自重小的优势，这样必须对传统的结构形式进行革命，建立新型的大跨度结构形式，对其动、静力学特性进行充分的研究。目前国内外对大跨度复合材料组合空间结构的力学研究非常重视，但大多为静力学研究，动态特性及动力学模型的建立方面的研究还远未成熟，大跨度复合材料结构的动力学和动力特性的研究，特别是在风荷载及地震荷载作用下的响应及抗风抗震设计、稳定性等方面的研究是这类型结构设计的基础。需进一步研究的方面有：
(1)根据复合材料的力学特点，研究该材料可以形成的新的传力方式的大跨度结构新形式，研究该材料和其它现代结构形式相结合形成新的结构形式;
(2)根据建筑经济性，研究适合建造大跨度结构新体系的复合材料，并对其物理、力学性能进行研究;
(3对所构造的复合材料形成的大跨度新结构形式，进行结构分析的理论基础和有限元方法研究;
(4)对所形成的大跨度复合材料结构形态进行分析研究;
(5)对所形成的大跨度复合材料结构进行结构静力学分析研究;
(6)对所形成的大跨度复合材料结构进行结构风荷载及地震荷载作用下的响应及抗风抗震设计研究;
(7)对所形成的大跨度复合材料结构进行结构稳定性研究;
(8)对所形成的大跨度复合材料结构进行结构的连接与节点的研究。
建立一系列新型复合材料大跨度空间结构新形式，并形成适合大跨度结构的材料组份及合成方法，为大跨度复合材料结构建筑物的设计、生产、制造与维护提供结构形式及材料数据;通过研究新型大跨度碳纤维复合材料结构动、静力学模型、动力响应及其稳定性，提供可供设计参考的各项参数，为安全设计、所有寿命预测及抗风抗震提供理论根据。
5 结论和展望
复合材料相比传统建筑材料有更多的优点，尤其在大跨空间结构领域更具有无可比拟的优势。但是，复合材料在建筑结构中的应用历史不长，在许多方面的理论研究还远未成熟，需要加大研究力度。
总之，随着复合材料的发展，产量的增加及价格不断下降，复合材料大跨度结构将成为重要的空间结构形式。我国必须紧跟世界发展趋势，跟踪复合材料大跨度结构形式的前沿课题，开展大跨度复合材料新型结构形式及结构动力学研究，不仅对推动边缘交叉学科的进一步成长，有重要的学术意义，而且有明显的工程应用前景。
参考文献
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多层大跨超长混合建筑结构设计探究 篇10
1 多层大跨超长混合建筑结构设计概述
1.1 结构类型
对于大跨空间结构而言, 其从结构布置可分为平面和空间结构, 其中空间结构是以三维空间为依据, 实现外荷的释放与接收等, 而平面结构则是在平面内部实现结构的外荷作用和支座反力。从结构材料可分为复合材料结构、铝合金结构、钢结构与木结构等。从结构形态可分为骨架结构、面系结构和实体结构[1]。此外, 一种新型的混合系统能够改向根据力, 并分成刚、柔混合结构与刚性混合结构这两种类型。其中刚、柔混合结构是分别利用刚性和柔性结构的抗弯曲能力与抗拉伸能力, 将两者的优势加以协调, 提高结构的整体性能;而刚性混合结构则是通过梁单元体系、杆单元体系、拱单元体系, 将其相互混合加以利用, 保证结构的性能。
1.2 设计特征
在设计多层大跨超长混合建筑结构时, 其特征主要表现在以下四个方面:首先是具有较高的力学效能。对于传统的建筑结构设计而言, 其主要是剪切与弯曲结构截面来提高结构的力学效能, 但是这种形式难以保证材料的强度。由于结构跨度具有一定的极限, 如果超出材料自重与强度, 将难以达到预期目标。而大跨混合建筑结构设计具有合理的受力, 能够对材料性能进行合理利用, 将弯距转化为轴力, 减小构件界面, 促进结构受力性能的提高。
其次是技术造型风格。建筑技术造型的前提就是对技术知识的准确把握, 力学逻辑不仅是材料与结构构件设计的基础, 也是建筑造型的技术基础, 而混合结构恰好符合力学逻辑的合理性。混合结构从某种程度上来说属于材料性质的再度开发, 能进一步推动材料的发展。
最后是混合吊挂体系优势。混合吊挂体系是混合结构中的常见结构, 其能够将钢材的牵引力加以充分表现, 并将弯矩逐渐转变为轴力, 保证悬挂结构的稳定性, 满足结构延伸跨越的实际需求[2]。对于张弦梁结构而言, 多是以刚性子结构为依据来使用拉索与压杆, 从而保证结构性能的有效利用, 降低结构跨度和自重, 促进截面使用率的减少以及轴向受力的增加。刚性结构的力学效能明显低于柔性结构, 因此在使用刚性结构时需要对结构的费用影响与稳定性进行综合考虑, 寻找混合结构恰当的平衡点。
2 多层大跨超长混合建筑施工分析
多层大跨超长混合建筑结构作为一种新型的结构体系, 在其设计施工过程中, 设计人员应具备一定的计算能力, 能够对结构受力情况进行充分了解, 保证结构设计的科学性与合理性。同时需要从实际施工情况出发, 详细分析结构的稳定性与安全性, 认真检测结构的可靠性, 对比结构的经济价值, 从而保证混合建筑施工的效益。具体而言, 该建筑施工的手段主要包括三种:一是整体吊装法。该方法主要是在地面上拼接整体结构, 当结构胎架制作完成后, 利用起重机将其吊装就位, 这种方法多用于中小跨度的施工中。整体吊装法的应用, 能够在很大程度上简化施工流程, 减少高空作业与空间操作, 促进施工速度与机械使用率的提高, 保证施工水平和质量[3]。但是该方法不适用于平行施工, 对相关设备具有较高的要求, 并且需要在完成吊装作业后方可施工, 否则会严重影响施工工期。
二是分块吊装法。该方法主要是将整体结构分为块状或条状, 并利用起重机在地面上进行拼装, 使各条块结构能够拼接为不同的分块单元。分条或分块的结构单元具有较强的强度, 在实际吊装就位时, 由于块状单元的受力情况基本类似与平面结构体系的受力状况, 因此需要先起拱条状单元。
三是高空散装法。高空散装法主要分为全支架法和悬挑法, 其主要是利用单个节点或单根杠杆来进行拼接工作。其中全支架法在小拼单元的高空拼接作业中较为常见, 而悬挑法多适用于网格施工与散件拼装作业中。
3 结束语
对于多层大跨超长混合建筑结构而言, 其力学效能良好, 具有混合吊挂体系的优势, 能够将现代建筑的时代特点加以充分展现, 被广泛应用在现代建筑领域, 有利于促进建筑技术的提高。同时大跨混合建筑结构设计的运用, 能够为建筑设计的合理性以及审美的提升提供重要参考价值, 能够有效推动建筑行业的可持续发展。
参考文献
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