某空間網(wǎng)架力學(xué)性能分析報(bào)告

1、某空間網(wǎng)架力學(xué)性能分析報(bào)告學(xué) 院：理學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)：工程力學(xué) 姓 名： x 學(xué) 號(hào)：x 指導(dǎo)老師： x某空間網(wǎng)架力學(xué)性能分析報(bào)告某網(wǎng)架位于山西省大同市，為了滿足需要，網(wǎng)架覆蓋面積1158。此網(wǎng)架提供四根柱進(jìn)行多點(diǎn)支承。此次力學(xué)分析不考慮地震設(shè)防，不進(jìn)行穩(wěn)定分析。1.工程概況1.1網(wǎng)架型式：螺栓球節(jié)點(diǎn)正方四角錐網(wǎng)架1.2網(wǎng)架平面軸線尺寸：52.5m28.5m1.3支承形式：下弦多點(diǎn)支承2.設(shè)計(jì)與施工必須遵守以下規(guī)范2.1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)范(JGJ7-91)；2.2鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017-2003)；2.3鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范(GB50205-2001)；2.4鋼網(wǎng)架行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JG

2、J75.175.3-91)；2.5鋼網(wǎng)架螺栓球節(jié)點(diǎn)用高強(qiáng)度螺栓(GB/T16939)結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)規(guī)范相符。3.結(jié)構(gòu)的材料3.1鋼管：選用GB700中的Q235鋼,采用高頻焊管或無(wú)縫鋼管；3.2高強(qiáng)螺栓：選用GB3077中的40Cr或20MnTiB；等級(jí)符合GB/T169393.3鋼球:螺栓球選用GB699中的45號(hào)鋼；3.4封板錐頭:選用Q235鋼，鋼管直徑大于等于75時(shí)須采用錐頭，連接焊縫以及錐頭的任何截面應(yīng)與連接的鋼管強(qiáng)度，厚度應(yīng)保證強(qiáng)度和變形的要求，并有試驗(yàn)報(bào)告。3.5套筒:選用Q235鋼，截面與相應(yīng)桿件截面等同；3.6焊條:Q235鋼與Q235鋼直接焊接選用E43XX,Q235鋼與4

3、5號(hào)鋼之間焊接選用E50XX；3.7材料應(yīng)具有質(zhì)量證明及驗(yàn)收?qǐng)?bào)告，鋼球須打上工號(hào)，所有焊件應(yīng)編焊工工號(hào)，所有產(chǎn)品的質(zhì)量應(yīng)符合鋼網(wǎng)架行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ75.4設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)4.1靜荷載上弦層：0.30KN/m2下弦層：0.15KN/m24.2活荷載：0.50KN/m24.3基本風(fēng)壓：0.5KN/m2（10m高出）4.4溫度差：-10304.5計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)形成網(wǎng)架自重4.6荷載必須作用在節(jié)點(diǎn)上，桿件不承受橫向荷載5.結(jié)構(gòu)平面布置圖5.1本設(shè)計(jì)采用ANSYS建模進(jìn)行計(jì)算分析。圖5-1網(wǎng)架平面布置圖圖5-2上弦層平面布置圖圖5-3下弦層平面布置圖圖5-4腹層平面布置圖5.2結(jié)構(gòu)所選桿件的材料參數(shù)表5-1材

4、料抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值彈性模量E（GPa）泊松比Q235b2152152060.35.3荷載計(jì)算由于該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不考慮抗震和不進(jìn)行穩(wěn)定性分析，只進(jìn)行網(wǎng)架的力學(xué)性能分析，且計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)形成網(wǎng)架自重。那么在受風(fēng)壓和雪荷作用下的計(jì)算值：工況：1.4風(fēng)荷載+1.40.7雪荷載6.有限元模型6.1基本假定在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)起著連接匯交桿件，傳遞屋面荷載和吊車(chē)荷載的作用。模型試驗(yàn)和工程實(shí)踐都已表明，對(duì)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可將節(jié)點(diǎn)假定為鉸接，即忽略節(jié)點(diǎn)剛度的影響。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)計(jì)算分析中，桿件都處于彈性狀態(tài)，即不考慮材料的非線性性質(zhì)。由于網(wǎng)架在受載狀態(tài)產(chǎn)生的撓度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于網(wǎng)架的厚度，可認(rèn)為符合小撓度范圍。即在計(jì)算中

5、采用以下假定：6.1.1忽略節(jié)點(diǎn)剛度的影響；6.1.2網(wǎng)架的節(jié)點(diǎn)為空間鉸接節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度，桿件只受軸力作用；6.1.3桿件處于彈性工作階段，并認(rèn)為荷載作用下的網(wǎng)架變形二次效應(yīng)很小，可以忽略；6.1.4網(wǎng)架處于小應(yīng)變狀態(tài)。6.2荷載取值6.2.1 基本荷載數(shù)值在荷載選擇方面，在此我們選擇一個(gè)最常規(guī)的荷載模式，就是在永久荷載、本身自重以及風(fēng)、雪、活荷載的作用下，其中忽略了一些次要的荷載。靜荷載：計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)形成網(wǎng)架自重風(fēng)荷載： （1）式中：風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，(KN/m2)；z高度處的風(fēng)振系數(shù)；風(fēng)荷載體型系數(shù)；風(fēng)壓高度變化系數(shù)；基本風(fēng)壓，(KN/m2)。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB5000

6、9-2001)來(lái)取值：風(fēng)壓按50年一遇考慮，在10m高處，基本風(fēng)壓=0.55 KN/m2；大同的地面粗糙度是C類(lèi)，=0.74；=1.0；=0.6。故=1.00.60.740.55=0.244（KN/m2） （2）雪荷載： （3）式中：雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值(KN/m2)；屋面積雪分布系數(shù)；基本雪壓(KN/m2)。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB50009-2001)來(lái)取值：雪壓按50年一遇考慮，=0.25kN/m2；=1.0。故=1.00.25 = 0.25 KN/m2 （4）6.2.2荷載組合常規(guī)荷載效應(yīng)組合： （5）式中永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值；活荷載標(biāo)準(zhǔn)值；永久荷載分項(xiàng)系數(shù)。那么除自重外其荷載為：1.40.25+

7、1.40.70.244=0.58912KN/m2；網(wǎng)架面積為1158m2；則荷載總值為：11580.58912=682.20096KN；平均到每個(gè)上弦節(jié)點(diǎn)上的力為：682.20096/283103=2410.6N6.2.3單元選取單元選用LINK8-3-D 桿，LINK8是一種能應(yīng)用于多種工程實(shí)際的桿元素。元素能被應(yīng)用于桁架，垂纜，桿件，彈簧等。 這個(gè)三維 的桿元素只能承受單軸的拉壓，元素每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有三個(gè)自由度：x,y,和z方向的位移。 在銷(xiāo)釘式結(jié)構(gòu)中元素不允許有彎曲。塑性，潛變，膨脹，應(yīng)力強(qiáng)化，大變形(plasticity, creep, swelling, stress stiffenin

8、g, and large deflection)都是允許的。圖示6-1. LINK8 3-D 桿6.2.4建模與分網(wǎng)網(wǎng)架是由很多桿件按一定規(guī)律組成的空間桁架體系，屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)。要想精確地分析它的內(nèi)力和變形是相當(dāng)復(fù)雜的。目前常用的方法有精確計(jì)算方法空間網(wǎng)架位移法和簡(jiǎn)化計(jì)算方法交叉梁系分析法、擬板法等。為建立合理的、能真實(shí)反映結(jié)構(gòu)實(shí)際性能的計(jì)算模型，在計(jì)算中采用了整體空間計(jì)算模型，本次網(wǎng)架的空間分析模型采用命令流編寫(xiě)，建模詳見(jiàn)表表6-1下弦節(jié)點(diǎn) 編號(hào)下弦節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)上弦節(jié)點(diǎn) 編號(hào)上弦節(jié)點(diǎn)數(shù)節(jié)點(diǎn)總數(shù)自由度數(shù)目方程數(shù)目129929930058228358265136513下弦單元 編號(hào)下弦單元個(gè)數(shù)上

9、弦單元 編號(hào)上弦單元數(shù)腹桿單元 編號(hào)腹桿單元數(shù)單元總數(shù)156856856910935251094217110782171坐標(biāo)系選?。合孪覍訛閤oy面，上弦所在方向?yàn)閦的正向，具體如圖所示。圖6-2有限元模型平視圖圖6-3有限元模型立體圖7.計(jì)算結(jié)果分析本網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在采用ANSYS建模時(shí)是以毫米為單位，所以為了單位的統(tǒng)一，涉及到的實(shí)常數(shù)設(shè)置如下表7-1所示：表7-1桿件編號(hào)截面類(lèi)型截面積回轉(zhuǎn)半徑1483.50489.30315.781712603.50621.249920.014063753.75839.394325.225554894.001068.14130.085351144.001382.

10、30138.9165861404.001709.02648.1040571596.002883.98254.135257.1變形校核圖7-1荷載作用下節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的總位移（mm）圖7-2荷載作用下節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的Z方向的位移（mm）從圖中可以得到以下數(shù)據(jù)，具體如表如下：表7-2工況節(jié)點(diǎn)編號(hào)總位移(mm)Z方向位移(mm)短跨長(zhǎng)度L(mm)比較151412.015-11.91724750按照網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程(JGJ7-1991)，主體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)撓度控制在L/250。本網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載組合作用下，結(jié)構(gòu)的最大的節(jié)點(diǎn)z向位移為-11.917mm，小于L/250，故可認(rèn)為滿足變形要求。7.2強(qiáng)度校核經(jīng)過(guò)ANS

11、YS建模計(jì)算之后，通過(guò)單元表控制單元的軸向應(yīng)力的輸出，可以得到以下應(yīng)力分布圖。圖7-3荷載作用下的軸力分布圖（N）有圖可知，在荷載組合情況下，各構(gòu)件最大拉力桿為536單元，拉力為28285N，28285/1382.30=20.5MPa最大壓應(yīng)力桿為1019單元，壓力為68490N，68490/2883.9=23.75MPa根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017-2003)可知，各構(gòu)件均小于許用應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。8.模態(tài)分析模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可

12、以由計(jì)算或試驗(yàn)分析取得，這樣一個(gè)計(jì)算或試驗(yàn)分析過(guò)程稱為模態(tài)分析。這個(gè)分析過(guò)程如果是由有限元計(jì)算的方法取得的，則稱為計(jì)算模態(tài)分析；如果通過(guò)試驗(yàn)將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)參數(shù)識(shí)別獲得模態(tài)參數(shù)，稱為試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。本報(bào)告采用計(jì)算模態(tài)分析，6階模態(tài)依次如下圖所示：表8-1SET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP CUMULATIVE 1 0.23322 1 1 1 2 0.33412 1 2 2 3 0.48488 1 3 3 4 0.49619 1 4 4 5 0.62642 1 5 5 6 0.64566 1 6 69.結(jié)論通過(guò)以上結(jié)果的提取和分析知道：在各種荷載工況設(shè)計(jì)值作用下，該網(wǎng)架桿件的最大設(shè)計(jì)應(yīng)力滿足要求，即小于Q235鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度210MPa；最大撓度值為12.015mm，小于規(guī)范的允許要求。因此，該網(wǎng)架主體