空间网壳结构数值计算.docVIP

目 录 1、引言 2 1.1、工程概况 2 1.2、分析方法及内容 2 2、数值计算方法 2 2.1、空间杆系有限单元法 2 2.1.1空间杆系有限单元法的基本原则 3 2.1.2、空间杆系有限单元法的基本过程 3 2.2、平面问题有限单元法 3 2.2.1、连续体的离散化 4 2.2.2、单元分析 4 2.2.3、整体分析 4 2.3、计算程序简介 4 3、计算模型及计算参数 5 3.1、计算模型 5 3.2、计算单元的选取 7 3.3、计算参数选取 7 3.3.1、杆件计算参数选取 7 3.3.2、荷载参数的选取 7 3.3.3、荷载组合效应 11 4、大跨空间结构的校核 13 4.1、各种荷载作用下的效应 13 4.2、强度校核 16 4.３、变形校核 17 5、焊接空心球的受力分析 17 6、总结 20 1、引言 大跨度结构近年来得到日益广泛的应用，被用作各种公共建筑的屋盖、雨棚等，其结构形式多为空间桁架杆件体系或空间梁系组成的网架或网壳，结构材料一般为钢材。各类空间结构之所以得到迅速的发展和应用，是由于其具有如下优点：结构组织灵活，建筑造型美观，规律性和节奏感强；结构受力合理，抗震性能优异，设计计算简便，精确计算有现成的空间桁架位移法程序，施工图绘制简单；加工制作机械化程度高，有利于工业化、定型化及商品化。 1.1、工程概况 本工程位于北京市某大学的校园内部，作为学校的体育馆，除了要满足基本的建筑功能及建筑审美要求外，还应当在结构科学实用的原则下，优选经济合理的建筑体型。本工程采用的是凯威特型的空间网壳结构，网壳的球面半径50.0m，跨度约60m，矢跨比1：6。该网壳是单层球面网壳，网壳结构的所有杆件均采用Ф83.0*4.0的Q235钢管，杆件之间采用空间节点空心球连接。 1.2、分析方法及内容 本报告主要对该结构进行两个方面的分析。第一，分析凯威特型空间网壳结构在自重、活荷载、风荷载、雪荷载、以及地震作用下的效应，并通过荷载的效应组合校核该空间结构的强度及变形是否满足规程要求。第二，焊接空心球在杆件轴力的作用下的受力分析，该问题属于三维实体结构的弹性力学的空间问题，空间弹性力学问题一般情况下很难得到解析解，有限单元法是解决这类问题的有效手段。 2、数值计算方法 对于空间网壳结构，无论其结点采用螺栓球结点， 还是采用具有一定刚度的焊接球节点，只要荷载作用在节点上，构件内力则主要以轴力为主，而考虑节点刚度所引起的构件弯矩通常很小。因此，网壳通常可以采用空间杆系有限单元法求节点位移和杆件内力。 焊接空心球的属于弹性力学的空间问题，有三个位移分量、6个应力分量，但其分析方法与平面问题或轴对称问题完全类同。即经过结构离散为单元、找单刚、组总刚、引入边界条件、求解以及结果分析等环节。 2.1、空间杆系有限单元法 空间杆系有限单元法也称空间桁架位移法，空间杆系有限单元法是计算精度最高的一种方法，适用于各种类型、各种平面形状、不同边界条件的网架，静力荷载、地震作用、温度应力等工况均可计算。网架的节点为空间铰接节点，杆件只承受轴力；结构材料为完全弹性，在荷载作用下网架变形很小，符合小变形理论。 2.1.1空间杆系有限单元法的基本原则 第1条 空间桁架位移法是以网架节点的三个线位移为未知量、所有杆件为承受轴向力的铰接杆系有限元法，并利用电子计算机进行内力和位移计算。 第2条 当网架结构和外荷载有N个对称面时，可利用对称条件只需分析1/2N网架。在计算时，对称面内各杆件的截面面积应取原截面面积的一半，N个对称面交线上的中心竖杆，其截面面积应取原截面面积的1/2N；对称面内节点荷载亦应按相同原则取值。 第3条 在对称荷载作用下，对称面内网架节点的反对称位移应取为零。在计算时应在相应方向予以约束；与对称面相交的杆件，作为结构分析的处理方法可将该交点作为一个节点并在三个方向予以约束；交叉腹杆或人字腹杆的交点位于对称面时，亦应作为一个节点并在两个水平方向予以约束。在反对称荷载作用下，对称面内网架节点的对称位移应取为零。 第4条 网架杆件截面可先根据经验或参照已建工程或由简化计算方法估算确定，计算后应按内力重新设计调整截面，并进行重分析，重分析次数宜取3～4次。 2.1.2、空间杆系有限单元法的基本过程 结构分析师有限元方法最初的也是最重要的应用领域。用有限单元法解决结构问题的基本过程可以概括为如下的一些环节： ◆结构离散化为有限个单元的组合体 ◆进行单元分析，得到其节点力和节点位移之间的关系（单元刚度方程） ◆进行结构分析，得到结构的节点力和节点位移之间的关系（结构刚度方程） ◆引入约束条件，排除系统的刚体平移和转动。 ◆求解线性代数方程组，得到节点位移。 ◆由位移可以进一步到处其他感兴趣的量，如应变、应力等。 2.2、平面问题有限单元法 有