劉鵬開題報告

1、拱支空間桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及動力特性分析專業(yè)：結(jié) 構(gòu) 工 程姓名：劉 鵬導(dǎo)師：韓 克 平 v桁架拱研究背景v研究目的意義v工程概況v研究內(nèi)容與方法一、研究背景v 鋼管拱架結(jié)構(gòu)是頗具魅力的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，是眾多結(jié)構(gòu)體系中的一種 ,在建筑結(jié)構(gòu)及橋梁結(jié)構(gòu)中有著廣泛的應(yīng)用.桁架拱形鋼結(jié)構(gòu)作為一種合理有效的結(jié)構(gòu)體系 ,空間結(jié)構(gòu)的卓越工作性能不僅僅表現(xiàn)在三維受力，而且還表現(xiàn)在它們通過合理的曲面形體來有效地抵抗外荷載的作用。當(dāng)跨度增大時，空間結(jié)構(gòu)就愈能顯示出它們優(yōu)異的技術(shù)經(jīng)濟性能。從力學(xué)的角度看 ,建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展都遵循著一個基本的客觀規(guī)律 “將外荷載產(chǎn)生的彎矩轉(zhuǎn)化為構(gòu)件的軸向拉壓力” ,從而不斷地提高結(jié)構(gòu)的效率.

2、拱和桁架就是在這一原理下產(chǎn)生的兩種典型結(jié)構(gòu).拱以其獨特的曲線形式實現(xiàn)了彎矩向軸力的轉(zhuǎn)化,而桁架則通過格構(gòu)的方式將彎矩轉(zhuǎn)化為弦桿的軸力.所以 ,將拱和桁架有機結(jié)合 ,便形成了一種受力更為合理的新型結(jié)構(gòu)形式 桁架拱.桁架拱有平面桁架拱和立體桁架拱之分.后者比前者有較大的平面外剛度。目前體育場館、會展中心、候車(機)廳、大型機庫、標(biāo)志性特種結(jié)構(gòu)等重要公共建筑廣泛采用的屋蓋結(jié)構(gòu)形式。這些結(jié)構(gòu)不僅跨度大，而且風(fēng)格迥異，美觀雄偉，深受業(yè)主與建筑師們的青睞。該課題研究的現(xiàn)狀v宏觀方面；v 建模平臺實現(xiàn)簡單化，進程化操作，CATIA軟件對復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)建模，在ANSYS軟件平臺開發(fā)大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化功能，方面

3、方面；新材料，新工藝運用（鳥巢，水立方）v倒塌模擬問題；v微觀破壞問題v 注重對罕遇地震，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，建造過程的模擬計算為了保證安全性，提高材料的利用率，減少用鋼量。對復(fù)雜桁架柱節(jié)點，異性柱腳，大型多面體鑄鋼節(jié)點設(shè)計方法，預(yù)應(yīng)力技術(shù)進行了深入的研究，很多方面達到國際水平。v 我國經(jīng)濟高速發(fā)展的同時安全事故也處于高發(fā)期，對結(jié)構(gòu)安全檢測，火災(zāi)危險性，長效腐蝕性的研究開始增加。 此外，近幾年專家學(xué)者對仿生學(xué)比較感興趣。（樹狀柱，海洋貝類仿生建筑，蜻蜓翅膀）拱支網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)性能對比對比項目安全性整體穩(wěn)定性能經(jīng)濟性傳統(tǒng)網(wǎng)殼破壞形態(tài)多樣整體失穩(wěn)破壞為主要破壞形態(tài)存在整體失穩(wěn)的問題對初始缺陷及

4、外加荷載分布與理論不一致較為敏感雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)用鋼量較大拱支網(wǎng)殼具有網(wǎng)殼-拱兩級傳力體系，結(jié)構(gòu)的破壞形式單一化，破壞過程具有一定的延性，從而增強了結(jié)構(gòu)的安全性。拱結(jié)構(gòu)抑制了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的一般失穩(wěn)形式，將單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)形式限制為局部失穩(wěn)；拱結(jié)構(gòu)降低了單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)對初始幾何缺陷及外加荷載分布與理論不一致的敏感程度相對于雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)具有重量輕、施工簡單等優(yōu)點，經(jīng)濟性佳。拱支桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)用二、研究目的意義 v 近年來, 網(wǎng)架、 網(wǎng)殼等大跨空間結(jié)構(gòu)得到了越來越多的應(yīng)用, 這種結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力性能與設(shè)計也得到了眾多研究者的關(guān)注我國是多地震國家, 80%以上的大中城市處于地震區(qū), 因此有關(guān)大跨空間結(jié)構(gòu)的抗

5、震問題更顯得突出。與此同時，對大跨度結(jié)構(gòu)的抗震研究還非常有限，并且很不系統(tǒng)，新建的很多超大跨度的結(jié)構(gòu)還未經(jīng)地震的考驗，多是通過一些數(shù)值模擬或者模型試驗來判斷其抗震性能。雖然方法很多，但是由于地震的隨機性以及大跨度自身的特點，導(dǎo)致各種方法都是各有不足，并且在考慮空間變異性的地震動輸入等方面仍然存在諸多問題，因此，對大跨度鋼結(jié)構(gòu)進行抗震性能的研究，積累關(guān)于大跨度結(jié)構(gòu)抗震方面比較有意義的結(jié)論，給工程師們提供同類型大跨度結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計資料，從而為工程設(shè)計中的大跨度鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計概念、抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和抗震措施等方面形成系統(tǒng)的體系提供參考等都是有積極意義。v目前關(guān)于桁架拱形鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性能的研究還鮮見于國

6、內(nèi)外的學(xué)術(shù)期刊和會議論文中 ,各國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范尚沒有相應(yīng)的穩(wěn)定性計算條款.。 針對國內(nèi)外對空間桁架屋蓋系統(tǒng)研究的不足，本課題結(jié)合有關(guān)規(guī)范，對由空間析架組成的片蓋系統(tǒng)的整體穩(wěn)定進行一作線性有限單元的全過程分析，總結(jié)出一些對工程設(shè)計有價值的結(jié)論和建議。 工程概況v 體育館主體地上三層,地下一層,為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu);屋蓋為斜置柱面形,平面由圓弧線擬合成樹葉狀,采用四個落地拱架作為主要承重結(jié)構(gòu),拱架之間設(shè)置立體或平面桁架作為次要結(jié)構(gòu),配以支撐體系,形成體系新穎的空間結(jié)構(gòu)形式。屋蓋結(jié)構(gòu)東西寬 96m,包括懸挑寬度為105m;南北跨度142m,是目前國內(nèi)跨度最大的拱形體育館之一,體育館的效果圖。工程設(shè)

7、防烈度為7度,場地為 類,場地位于抗震有利地段。 工程所用鋼管材質(zhì)為 Q345B 級鋼,桿件用鋼量1 600t ,單位面積用鋼量92kgP m2。體育館的效果圖v,拱架弦桿截面直徑450 ,壁厚16 ,20 和24 ,腹桿截面為 121 415 , 180 6 , 219 10 和 245 12 四種類型。 180 6 和 245 12v中拱和邊拱之間的次桁架,包括 8 榀倒三角形立體桁架和兩榀平面桁架。立體桁架寬2左右,桁架高度為中拱高度的一半,跨度在24m左右。研究內(nèi)容 (1)基于動力有限元理論，應(yīng)用ansys、SAPZ000軟件建立體育館的空間有限元模型，對模型進行模態(tài)分析， SAPZ0

8、00軟件進行驗證真確性。為進一步深入研究此類結(jié)構(gòu)的動力特性打下基礎(chǔ)。 （2）計算多遇地震下多點輸入結(jié)構(gòu)彈性響應(yīng).分析行波效應(yīng)對鋼結(jié)構(gòu)影響。（地震波形不變,而到達各支座的時間有差異。）不同波速下地震反應(yīng)分析結(jié)果比較，并對單點輸入與多點輸入的地震響應(yīng)進行對比。最后對比不同地震波速的結(jié)果進行對比。v （3）基于穩(wěn)定理論，用ansys軟件對拱桁架結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定分析v 單榀拱的平面內(nèi)穩(wěn)定分析 特征值屈曲分析。分別對以下幾種荷載組合進行特征屈曲分析、幾何非線性屈曲分析、材料非線性分析以及缺陷分析。工況1:自重+恒載+活載;工況2:自重+恒載+不均勻活載;工況3:自重+恒載+風(fēng)荷載+雪荷載計算方法為弧長法。v

9、 （4）分析網(wǎng)殼對主拱屈曲的影響 v模型一: 單獨將主拱、半拱和斜立柱取出建立分析模型,完全不考慮網(wǎng)殼對主拱的支撐作用,主拱面外自由度全部約束,旨在研究主拱本身的面內(nèi)穩(wěn)定性。v模型二: 把在主拱頂上一榀網(wǎng)殼的交叉腹桿考慮到分析模型中,同樣將主拱面外自由度全部約束,旨在考慮拱頂部加強對其穩(wěn)定性有何影響。v模型三: 將主拱上網(wǎng)殼的3榀桁架考慮到分析模型中,桁架與主拱、半拱通過V形撐連接。v模型四: 將網(wǎng)殼對主拱的支撐作用全部考慮進去。 v v彈塑性時程分析v彈塑性時程分析與彈性時程分析的位移結(jié)果相比.研究方法v穩(wěn)定性分析v動力特性分析結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析方法 大跨度鋼拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定涉及兩類穩(wěn)定問題:第一

10、類穩(wěn)定問題是基于經(jīng)典彈性理論,當(dāng)鋼拱受載達到臨界值,平衡狀態(tài)喪失,出現(xiàn)分支型失穩(wěn);第二類穩(wěn)定問題是基于實際工程中結(jié)構(gòu)的非線性和不可避免的初始缺陷,為極值型失穩(wěn)。v首先,對結(jié)構(gòu)進行線性屈曲分析, 求得其特征值。在特征值分析的基礎(chǔ)上, 對結(jié)構(gòu)進行非線性有限元全過程跟蹤。v非線性屈曲分析用一種逐漸增加荷載的非線性靜力分析，來求結(jié)構(gòu)開始變得不穩(wěn)定時的臨界荷載。一種近似的非線性求解是將荷載分成一系列的荷載增量，在每個增量求解完成后，進行下個荷載增量之前，程序調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度矩陣以反映結(jié)構(gòu)剛度的非線性變化。通常使用牛頓一拉普森(N一R)平衡迭代法和弧長法來求解，N一R法步驟如下； 1、以增量形式逐漸施加荷載

11、 2、在每一荷載增量中完成平衡迭代來使增量達到平衡 3、求解基本方程 4、進行迭v特征值屈曲分析中分別考慮: 工況1 恒載+ 滿跨活載, 工況 2恒載+ 前半跨活載, 工況3 恒載+ 后半跨活載共三種荷載工況穩(wěn)定性分析的過程 為實現(xiàn)上述線性穩(wěn)定分析和非線性穩(wěn)定分析，本文采用了ANSYS軟件。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場等分析于一體的大型通用有限元分析軟件。它是日前最為通用和有效的商用有限元軟件之一。ANSYS涵蓋了有關(guān)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的分析，包括特征值屈曲分析和非線性屈曲分析。v 在有限元模型中 ,上弦和下弦采用Beam188 單元 ,水平腹桿和立面斜腹桿均采用Link8 單元.桁架拱每個

12、節(jié)間的弦桿按直桿建模 ,拱腳處為鉸接約束.由于只研究拱的平面內(nèi)穩(wěn)定性能 ,所以約束了所有桁架節(jié)點的平面外線位移.考慮兩種荷載作用方式 ,沿水平的全跨均布豎向荷載和半跨均布豎向荷載.在有限元模型中則將荷載等效為節(jié)點荷載 ,施加在桁架的上弦節(jié)點上. 取材料彈性模量 E = 2106 1011Pa ,泊松比= 013 ;材料為理想彈塑性,屈服強度 f y = 235MPa.屈曲分析的基本步驟v前處理v獲得靜力解v獲得特征屈曲解v 進入求解器v 指定分析類型v 指定分析選項v 指定載荷步選項v 保存結(jié)果v 求解v擴展解v后處理（觀察結(jié)果）v 動力特性分析方法選擇和分析模型 結(jié)構(gòu)在地震作用下的振動反應(yīng)規(guī)

13、律不僅與地震作用有關(guān)，還與結(jié)構(gòu)自身的自振特性有著緊密聯(lián)系。結(jié)構(gòu)的自振特性是其本身固有的極其重要的力學(xué)性能，它直接影響到動力荷載作用于結(jié)構(gòu)自身產(chǎn)生的效應(yīng)，同時又是衡量一個結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度是否匹配、剛度是否合理的重要指標(biāo)。此外，準(zhǔn)確把握結(jié)構(gòu)的自振特性還能避免與動力荷載發(fā)生共振的危險，因此對結(jié)構(gòu)進行自振特性分析具有重要意義。v多維多點地震反應(yīng)分析的方法有時程分析法、 隨機振動法、 反應(yīng)譜法等,各有優(yōu)勢和不足。選用時程分析法作為工程多維多點輸入地震反應(yīng)分析的主要方法。時程分析法屬于確定性方法,該法在計算上能很好地解決多點輸入問題,具有技術(shù)成熟、 結(jié)果穩(wěn)定可靠、 對設(shè)計有指導(dǎo)意義等優(yōu)點.v 關(guān)于多點地震

14、輸入,主要考慮地震動空間變異性,其本質(zhì)就是相關(guān)性的降低,導(dǎo)致相關(guān)性降低的原因在于:非均一性效應(yīng)、 行波效應(yīng)、 衰減效應(yīng)和局部場地條件效應(yīng)。由于建筑規(guī)模所限,衰減效應(yīng)影響較小,通常情況下不考慮。根據(jù)工程地震安全性評價報告提供的鉆孔剖面資料,工程場地的地基土質(zhì)比較均勻,相鄰鉆孔的基巖頂面沒有顯著的階面高差變化,因此不考慮局部場地條件的影響。根據(jù)以往的研究成果,相對于一致地面運動而言,考慮行波效應(yīng)產(chǎn)生的計算修正占主導(dǎo)地位,而考慮激勵點間相干性部分損失(非均一性效應(yīng),局部場地效應(yīng))產(chǎn)生的計算修正則小得多,而且多半是略微縮小行波效應(yīng)的修正量。因此工程的多點地震輸入分析主要考慮行波效應(yīng)。關(guān)于多維地震輸入分析主要考慮水平雙向地震輸入.分析方法選擇和分析模型v計算參數(shù)v工程時程分析持續(xù)時間選擇為1525s 之間,時間步長為0102s。地面最大加速度為250m/s.地震波選擇選取2條實際地震記錄和1條人工合成波分別進行計算.(美國舊金山地震波 汶川地震波 天津波)v