（土木工程专业论文）72米跨度空间网壳结构的静力和动力性能分析.pdf

同济大学申请硕士学位论文 摘要 近半个世纪以来，发展最快、应用最广的空间结构是空间网格结构，空间网格结构主要 有网架结构和网壳结构两种形式。网壳结构是采用大致相同的格子或尺寸较小的单元沿曲面 有规律布置而组成的空间杆系结构，具有造型优美、空间受力、重量轻、造价低、抗震性能 好等优点，因此在国内外被广泛应用于大型体育场馆、飞机库、展厅、工业厂房等建筑结构 工程中。然而对于位于地震区的大跨度建筑，跨度的增大和结构形式的复杂化必然带来一些 不利因素。特别是大跨度建筑往往是人群集合或配置重要设施的场所，一旦地震发生破坏， 必然会造成人身伤亡或财产损失。困此如何抗御地震就成为其设计中的关键问题。 本文将结合山东某7 2 米跨度网壳工程的实际情况，对屋盖结构及其支撑体系均采用网 格结构的大型复杂结构体系进行静力性能和地震作用下的动力响应分析，为该种结构体系的 设计提供指导。 主要研究工作为： ( 1 ) 采用a u t o l i s p 语言对a u t o c a d 进行二次开发，建立了这一实际工程的三维有限元模 型： ( 2 ) 应用商用网架结构设计软件m s t 2 0 0 4 和钢结构设计软件3 d 3 s 进行了7 2 米跨度网壳 工程的静力分析和优化设计； ( 3 ) 利用铜结构设计软件3 d 3 s 和大型通用有限元软件a n s y s 研究了该结构的自振特性， 采用振型分解反应谱法进行了该结构的地震响应分析，得出了网壳结构各杆件的最大地震内 力，并与其他载荷工况下的内力进行组合，找出网壳结构的薄弱环节并提出相应的改善措施。 ( 4 ) 为频率密集、振型复杂且振型间存在严重耦合的大跨空间网壳结构的抗震设计提供一 定的建议。 关建词：大跨度网壳结构；有限元模型：静力优化设计：固有振动；振型分解反应谱法 地震响应 同济大学申请硬士学位论文 a b s t r a c t r e t i c u l a t e ds t r u c t u r e sa r et h ef a s t e s td e v e l o p e da n dt h ew i d e s tu s e ds p a c es t r u c t u r e sd u r i n g t h el a s th a l f p e s tc e n t u r y r e t i c u l a t e ds u u d t a t e sw i t hp i n - j o r a t e dc o n n c f i o n s ，u s u a l l yc a l l e d s p a c e t r u s s e s ”，a r eo f t e nu s e di n 面dr o o f s ，o f f s h o r ed r i l l i n gp l a t f o r mt o w e r sa n dp o w e rt r a n s m i s s i o n t o w e r s f o rt h eb u i l d i n g sl o c a t e di nt h ee a r t h q u a k ez o n e ，s o m ed i s a d v a n t a g e o u sf a c t o r sw i l la f f e c t t h ep e r f o r m a n c eo f 也es t r u c t u r e se s p e c i a l l yw i t ht h ei n c r e a s eo f t h es p a na n dw i t ht h ec o m p l e x i t y o f t h ef o r m b e c a u s et h el a r g es p a ns b - u c t u m sa r eo f t e nb u i l ti nt h ei m p o r t a n tp u b l i c ，t h es e i s m i c d e s i g ni sak e yp r o b l e m a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c ec o n d i t i o no ft h ep r o j e c ti ns h a n d o n g , t h e s t a t i ca n dd y n a m i c a l r e s p o n s eo ft h el a r g e ，s p a ns p a c er e t i c u l a t e ds h e l li ss t u d i e di nt h i sp a p e r s o m es u g g e s ta b o u tt h e e a r t h q u a k er e s p o n s ei sg i v e n ， t h em a i n w o r ki ss u m m a r i z e da st h ef o h o w s ( 1 ) t h e3 df i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h i sa c t u a lp r o j e c ti se s t a b l i s h e du s i n gt h ea u t o l i s p p r o g r a m ( 2 ) t h es m i l ep e l f o m a a c eo ft h i sa c t u a lp r o j e c ti ss t u d i e db y 血ep r o g r a mm s t 2 0 0 4a n d 3 d 3 s a n dt h ed e s i g no f t h i ss t r u c 舡r ei so p t i m i z e d ( 3 ) t h e n a t u r a l f r e q u e n c y o f v i b r a f i o n o f t h i ss t r u c t u r e i so b t a i n e d b y t h e p r o g r a m3 d 3 s a n d a n s y s t h ed y n a m i c a lr e s p o n s eo ft h es t l u c t u r ei ss t u d i e du s i n gt h em e t h o do ft h er e s p o n s e s p e c t r u m t h ew e a kl i n ko f t h er e t i c u l a t e ds t r u c t u ei sf o u n da n dt h ea r e a s u r eo ft h es i r e n g t h e ni s a d o p t e d ( 4 ) s o m es u g g e s t i o nf o rt h es e i s m i cd e s i g no f “sk i n do f s l r u c t u r ei sg i v e n k e yw o r d s ：r e t i c u l a t e ds l r u c t u r e s ，f i n i t ee l e m e n tm o d e l ，s t a t i co p t i m i z e dd e s i g n ，f r e ev i b r a t i o n ， r e s p o n s es p e c m a nm e t h o d ，s e i s m i cr e s p o n s e 声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，结合本职工作，独 立进行研究工作所取得的成果，撰写成工程硕士学位论文“7 2 米跨度空间网壳结构的静力和动力性能分析”。除论文中已注明 引用的内容外，对论文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其它个人 或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：吴维民 2 0 0 5 年1 2 月1 8 日 第一蠢结论 1 1研究背景 第一章绪论 空间结构一直是一种倍受注目的结构形式。相对于平面结构，空间结构的主要特点就是 能够充分利用材料的特性，以适应各种变化的建筑造型的需要。因此，空间结构具有受力台 理、重量轻、造价低以及形式活泼新颖、能够突出人类艺术创造力等优点。由于空间结构 不仅具有三维空间的结构形体，而且在荷载作用下为三向受力，呈空间作用，结构成形和受 力分析都极为复杂，因此空间结构的发展必然和科技的进步联系在一起。近二三十年来，大 跨度空间网架和网壳结构经历了一个飞跃发展的过程，世界各国都兴建了许多规模宏大、形 式新颖、技术先进的空间结构建筑物。大跨度结构的建造及其所采用的技术已成为衡量一个 国家建筑技术水平的重要标志，从学术研究来说，大跨度结构也是当前建筑结构学科中晟重 要和最活跃的发展领域之一。 近半个世纪以来，发展最快、应用最广的空问结构是空间网格结构。空间网格结构是由 于标准化而出现建筑构件工厂预制和工业化生产体系发展起来的大型结构。它是采用离散的 线状构件，通过特定的节点，按照建筑形体要求和一定的规律，组装成的三维连续体结构体 系驯。铰接网格结构通常被称为“空间桁架”，主要应用于屋顶、海上钻井平台和电力输送塔 等结构中。此类型的结构能够被广泛应用的主要原因是由于它自身的多种特性，如单位结构 自重轻，新的节点体系瘦子簋工及快速安装，理论计算结果和实际结构性能更加接近等口j 。 对于位于地震区的大跨度建筑，跨度增大和结构形式的复杂化必然带来一些不利因素， 特别是大跨度建筑往往是人群集合或配置重要设施的场所，一旦地震发生破坏，必然会造成 人身伤亡或财产损失。因此如何抗御地震就成为设计中的关键问题【1 4 】。1 9 9 5 年1 月的日本 阪神地震，对于所有建筑都是一次严峻的考验，可喜的是，一些采用空间结构的大跨度体育 建筑却安然无恙。阪神地震给人们许多有价值的启示，其中一条就是，只要对大跨度空间结 构的抗震性能进行研究，提出合理的设计方法，完全可以保证六跨度结构在地震作用下的安 全性。因此，对大跨空间网壳结构在地震作用下的动力响应进行全面研究具有重要的理论意 义和实际应用价值。 1 2 工程应用价值 根据地震烈度分布的资料，我国3 0 0 多个城市中，半数位于地震基本烈度为7 度及7 度 以上的地区，其中9 3 个人口百万以上的特大城市中，7 0 属7 度和7 度以上的地区，北京、 天津、西安等则都位于基本烈度为8 度的高烈度地震区，由此可见工程抗震在我国的重要性。 第一鼍绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 空间结构一直是一种倍受注目的结构形式。相对于平面结构，空间结构的主要特点就是 能够充分利用材料的特性以适应各种变化的建筑造型的需要；因此，空间结构具有受力台 理、重量轻、造价低以及形式活拨新颖、能够突出人类艺术创造力等优点i 】。由于空间结构 不仅具有三维空问的结构形体，而且在荷载作用下为三向受力，呈空问作用，结构成形和受 力分析都极为复杂，因此空间结构的发展必然和科技的进步联系在一起。近二三十年来，大 跨度空间网架和网壳结构经历了一个飞跃发展的过程，世界各国都兴建了许多规模宏大、形 式新颖、技术先进的空间结构建筑物。太跨度结构的建造及其所采用的技术己成为衡量一个 国家建筑技术水平的重要标志，从学术研究来说，大跨度结构也是当前建筑结构学科中最重 要和最活跃的发展领域之一。 近半个世纪以来，发展最快、应用最广的空问结构是空间网格结构。空间网格结构是由 于标准化而出现建筑构件工厂预制和工业化生产体系发展起来的大型结构。它是采用离散的 线状构件，通过特定的节点，按照建筑形体要求和一定的规律，组装成的三维连续体结构体 系脚。铰接网格结构通常被称为“空间桁架”，主要应用于屋顶、海上钻井平台和电力输送塔 等结构中。此类型的结构能够被广泛应用的主要原园是由于它自身的多种特性，如单位结构 自重轻，新的节点体系便于施工及快速安装，理论计算结果和实际结构性能更加接近等。 对于位于地震区的大跨度建筑，跨度增大和结构形式的复杂化必然带来一些不利因素。 特别是大跨度建筑往往是人群集合或配置重要设施的场所，一旦地震发生破坏，必然会造成 人身伤亡或财产损失。因此如何抗御地震就成为设计中的关键问题( 1 。】。1 9 9 5 年1 月的日本 阪神地震，对于所有建筑都是一次严峻的考验，可喜的是，一些采用空间结构的大跨度体育 建筑却安然无恙。阪神地震给人们许多有价值的启示，其中一条就是，只要对大跨度空闻结 构的抗震性能进行研究，提出合理的设计方法，完全可以保证太跨度结构在地震作用下的安 全性。因此，对大跨空间网壳结构在地震作用下的动力响应进行全面研究具有重要的理论意 义和实际应用价值。 1 2 _ i 程应用价值 根据地震烈度分布的资料，我国3 0 d 多个城市中，半数位于地震基本烈度为7 度及7 度 以上的地区，其中9 3 个人口百万以上的特大城市中，7 0 属17 度和7 度以上的地区，北京、 天津、西安等则都位于基本烈度为8 度的高烈度地震区由此可见工程抗震在我国的重要性。 天津、西安等则都位于基本烈度为8 度的高烈度地震区由此可见工程抗震在我国的重要性。 第一重结论 大跨空间结构的覆盖面积大，其多为体育馆、展览馆等人流集中的建筑物，一旦发生倒塌， 后果不堪设想。并且，空间结构尤其是网壳结构，不仅具有三维空间的结构形体，而且在荷 载作用下为三向受力，结构成形及受力分析都极为复杂。所以对其抗震性能的研究比其它建 筑物更为重要。 1 3 国内外研究现状 近几年国内外在网壳动力特性与地震反应的研究中，取得了大量成果。主要集中在：单 层球面瞬壳的地震反应；双层柱面网壳的地震反应；斜拉网壳结构的地震反应；组合扭网壳 结构的静动力分析：网壳下部支承体系对上部结构的影响分析等。 北京工业大学的曹资教授和张毅刚教授，对单层球面网壳进行了细致的研究，分析了网 壳的自振特性与地震反应，考虑了网壳矢跨比、阻尼比、支座剐度等参数的变化对单层球面 网壳的地震反应的影响，提出了水平地震反应远大于竖向地震反应的结论。在分析中通过考 虑支座刚度的影响，得出了一个重要的结论；支座刚度的改变明显影响网壳的地震内力。当 有下部支撑体系时，网壳水平抗震宣与其一起分析，郎考虑网壳与支撑体系共同工作。同济 大学的钱若军对1 0 0 多个单层网壳进行了竖向地震反应分析。东南大学的刘洪杰等对两种不 同网格形式的单层球面网壳分析了几十个具体的算例，了解了网壳的动力特性。同济大学郭 小农、陈扬骥等人，通过对短程线型单层球面网壳的抗震分析，得出了短程线型单层球面网 壳的基本周期受跨度、支座刚度、屋面荷载等参数变化影响的规律。同时，北京工业大学还 对双层柱面网壳的自振特性和地震反应做了系统的研究，通过对两百多个双层圆柱面网壳结 构的竖向和水平地震反应的系统研究，得出了有关结论并给出了设计建议。建设部综合勘察 院张超等人对双层柱面网壳结构与下部支撑体系的整体分析进行了研究，并对网壳结构与下 部支承体系作为整体分析时所涉及到的阻尼比取值问题也进行了详尽的分析。浙江大学高博 青等人用子空间叠代法系统地研究了双层柱面网壳的自振特性，按反应谱分析了在竖向地震 作用下柱面网壳内力分布规律，并与相应的静内力作了比较。董石麟教授以及他的研究生， 对双层柱面网壳在竖向地震作用下的动力性能进行研究时，考虑了改变网壳支撑的法向弹性 刚度对网壳受力的影响，得出结论为考虑法向弹性支撑无论是对网壳的静内力还是动内力都 有明显的影响。r o b e r t v w h i t m a n 通过对由下部支撑体系支撑的双层柱面网壳在地震中的动 态分析，得出了带与不带下部支撑体系的动态响应分析结果在最大位移响应和拱形杆件之间 有很大差异的结论。浙江大学的周岱、董石麟等人进行了斜拉网壳结构的动力特性和非线性 地震响应分祈，基于t a y l o r 展开公式和变分原理，推出了具有二次精度的空间杆单元新型几 何非线性剐度矩阵，研究了斜拉索的非线性问题和塔柱倚化计算问题，给出了地震波作用下 斜拉网壳结构非线性响应计算策略。浙江大学高博青、董石麟根据有限元法的基本原理，给 出了计算组合扭网壳静动力特性的基本方程，利用子空间叠代法计算和分析了组台扭网壳结 构的静动力特性。 由此可见，目前国内外对大跨空间网壳结构的动力性能及抗震性能方面已经取得了较为 2 第一蠢绪论 丰硕成果。但对于屋盖结构及其支撑体系均采用网格结构的结构体系的抗震性能的研究还未 见相关报道，随着大型复杂空间网壳结构的广泛应用，对其进行相应的动力特性及地震反应 分析就显得越来越迫切 6 - 。 1 4 本文研究目的及采取的方法 本文研究的总目的是实现一个大型复杂网壳结构的静力优化设计和抗震性能分析。针对 山东某工程的实际情况，对体量庞大、结构复杂的空间结构进行详细分析，为该种结构体系 的静力优化和动力响应设计提供指导。 研究方法主要是采用现有的大型通用软件和专用软件加以实现，对于现有软件无法完成 的内容将辅助编制一定的计算程序。 1 。5 论文总体布局 本文的研究对象为一实际工程，为保证这一实际工程设计的安全性和经济性，对其静、 动力特性进行深入研究。 第一章绪论中，对空阿网壳结构地震响应研究领域的国内外现状进行综述，提出本文的 研究方法和总体思路。 第二章中，对山东某实际工程的计算建模进行研究。采用a u t o l i s p 语言编制的辅助程 序建立了这一大型复杂空间两壳结构的几何模型，导入到现有的结构设计软件中便可得到相 应的有限元模型。 第三章中，采用现有的空间结构设计专用软件m s t 2 0 0 4 和钢结构设计软件3 d 3 s 进行这 一工程的静力优化设计。得到结构的内力、应力、变形的分布规律。 第四章中，在静力计算的基础上，利用3 d 3 s 和a n s y s 程序研究该结构的自振特性。 采用振型分解反应谱法进行该结构的地震响应分析，得出网壳结构各轩件的最大地震内力， 并与其他载荷工况下的内力进行组合，找出网壳结构的薄弱环节并提出相应的改善措施。 第五章中，通过本文实际工程的深入分析，为频率密集、振型复杂且振型间存在严重耦 合的大跨空间网壳结构的抗震设计提供一定的建议。 3 第二章空间两壳结构的计算建模 第二章空间网壳结构的计算建模 2 1 研究背景 山东某工程项目_ 7 2 米跨度空间网壳结构总长度为1 6 8 米，中间设一道伸缩缝，以伸 缩缝为界分成两个单体，每个单体均由网架柱、网架墙、网壳屋面、天窗架及网架装饰柱五 个部分组成，其建筑造型非常优美，但给结构建模带来了相当的难度( 如图1 ) 。 实际工程的几何模型的建立是其设计工作的第一步。完成好几何模型才有可能得到正确 的有限元模型，因此按照实际结构的建筑方案的要求建立适当的三维几何模型，并将这一模 型转化为结构分析软件所能接受的格式，是当前大型复杂空间结构需簧解决的一个首要问 题。目前大多数商用结构分析软件的前处理功能郡存在一定的局限性，完全依赖这些结构分 析软件完成本文的空间网壳的几何模型的建立，还存在很多困难。因此，需要采取另外一些 辅助的手段加以实现。 根据本文结构形式的特点，本章将使用通用软件a u t o c a d 提供的内部编程语言 a u t o l i s p 编制一段小程序解决这一复杂结构体系的三维几何建模问题。 ( a ) 7 2 米跨度空间两壳结构总平面圈 第二章空间网壳结构的计算建模 ( b ) 结构立面布置图 图17 2 米跨度空阃网壳结构图 2 2 几何模型的建立 2 2 1a u t o l i s p 语言简介 在微机c a d 领域中，谈起a u t o c a d 已是家喻户晓了，目前在工程设计中要用到 a u t o c a d ，同时为实现某些特殊需要，许多工程师都采用c a d 提供的基础开发语言充分 利用a u t o c a d 的功能。之所以如此，是因为a u t o c a d 强大的图形编辑功能和开放的结 构吸引了众多的c a d 工作者。自从a u t o c a d 问世以来，全世界很多研究者都在对其进行 二次开发，以满足具体的应用要求。从早期的d x f 文件、s c r 文件过渡到现在的a u t o l i s p 语言来开发a u t o c a d 。由于a u t o l i s p 和a u t o c a d 的巧妙结合，就使得a u t o l i s p 开 发a u t o c a d 比以往其他任何方法都要简单，而且效率极高。a u t o d e s k 公司考虑到这一 特点，在它以后的版本中，a u t o l i s p 语言就成为了其主要的编程语言。 l i s p ( l i s t p r o c e s s i n g l a n g u a g e ) 是一种计算机的表处理语言，是迄今为止人工智自e 学科 领域应用得最为广泛的一种程序设计语言。在l i s p 语言中，最基本的数据类型是符号表达 式，处理符号是l i s p 的特性之一。l i s p 语言的另一个突出特点是程序和数据二者都取符号 表达式的形式，也就是说一个l i s p 程序可以把另一个l i s p 程序作为它的数据处理。这就使 得l i s p 语言的编程十分灵活。 5 第二章空闻网壳结构的计算建模 2 2 2a u t o l i s p 程序 为完成本文的大型、复杂工程结构的几何模型建立，采用a u t o l i s p 语言编制了一段程 序，分块建立了网架柱、网架墙和网架屋面的三维模型。最后在a u t o c a d 中完成了各块问 的连接，实现了这一结构的三维儿何模型的建立。下面列出了本文编制的a u t o l i s p 程序的 主要模块。这一模块的功能是将与结构几何有关的数据转化为a u t o c a d 图形，是一个较为 通用的程序，只要将结构凡何数据写为规定的格式，就可使用这一程序转换成几何图形文件。 ( d e f u n c ：m s t f ，f 1k c p t x o p r y o t li t t p t 0a n 9 0i i i i i ) ( c o m m a n d ”s e t 、，ar c i v l d e c h o ”0 ”1 ( c o m m a n d ”s e t 、r a r “”b l i p m o d e ”0 ”1 ( c o m m a n d ”l n 呵e t y p e ”l ”) ( c o m m a n d ”l a y e r ”n ”1 ”c ”5 ”1 ”、 沁o m m a n d ”l 蝌e r ”n ”2 ”) ：( c o m m a n d ”l a y e r “”n ”s t ”) ：( c o m m a n d ”l y e r ”n ”s 1 n u v l ”) ( c o m m a n d ”l a y er 1 r n “”3 ”c ”4 ”3 ”1 ：( c o m m a n d ”l a y _ e r ”u ”h i d d e n ”a 、v e b ”) ；( c o m m a n d ”l a y e r ”- n “”q 5 ”c ”5 ”q 5 ”) ；( c o n m a a n d ”l a l 晦r “”n ”q 3 ”) ：( c o m m a n d ”l a y e r ”n ”t e x t x g u ”c l ”t e x t x g u ”) ：( c o m m a n d ”l a y e w “n ”t e x t x g d “”) ；( c o r n m a n d ”l a y e 掣n ”t e x t f g ”c 2 t e x t f g ”) ；( c o m m a n d ”l a y e r ”n ”t e x t q u ”c ”3 ”t e x t q u ”) ；( c o m m a n d ”u e r ”n ”t e x t q d ”c ”6 ”t e x t q d ”) ：( c o m m a n d ”l a y e r ”1 n “”b e h 们讯璩i ”) ：( c o m m a n d ”l a y e r ”n ”n o d 州u m ”) ：( c o m m a n d ”l a y e r “”n ”f o r c e ”1 ；( c o m m a n d “l i m i t s ”“9 0 0 ，6 0 0 ”) ：( c o m m a n d ”z o o m ”a ”) ：( c o m m a n d ”u 丐c a l e ”1 5 ”) ( s e t qk c1 0 0 ) ；( c o m m a n d ”u n i t s “”2 ”0 ”1 ”0 ”0 ”) ：( c o m m a n d ”d i m ”) ：( c o m m a n d d i m t a d “o n “) ：( c o m m a n d ”d l m s h o ”o f ”) ：( c o m m a n d ”d i m a l t ”o f ”1 ：( c o m m a n d “d n 仉s z ”1 3 ”1 ：( c o m m a n d ”d i m d u y ”0 0 ”) 6 一 苎三兰皇塑曼壅堕塑塑茎墨壅堡 ；( c o m m a n d ”d i m l l x t ”2 5 ”) ；( c o m m a n d “d l l d e x e “2 ) ；( c o m m a n d ”d i m t i h ”o f ”1 ；( c o m m a n d ”d i m i o h ”o f ”) ；( c o m m a n d ”d i m e x o ”3 0 ”1 ；( c o r m n a n d ”d i m r n d ”1 0 ”) ；( c o m m a n d ”d i m l f a c ”( k c1 0 ) ) ；( c o m m a n d e x i t ”) ；( s e t qp r o ( g e t p o i m ”b a s e p o i n t ：”) ) ；( s e t qp t x 0 ( c a rp t 0 ) ； p t y o ( c a d r p t 0 ) ；p t z o o ) ( s e t q p r o ( l i s t 000 ) ) ( s e t q p t x 0 0 p t y 00 p t z o ( s e t qf 1 ( o p e n ”g j u t “”r “) ) ( s e t qf 2 ( o p e n ”g j d t ”r ”) ) ( s e t qf 3 ( 0 p e n ”g j w t ”r ”) ) ；( s e t qf 4 ( o p e n ”n d u t ”r ”) ) ；( s e t qf 5 ( o p e n ”n d d t ”i a l ” ；( s e t qf 6 ( o p e n ”r e a t ”r ”) ) ；( s e a tf 7 ( o p e n ”q n u t “”r ) ) ( c o m m a n d ”l a y e r ”s ”l ”、 ( d s t c kf 1 ) ( c o m m a n d ”l a y e r s 2 ”“、 ( s t c k 岔) ( c o m m a n d ”l a y e r ”“s ”3 ”、 ( s t c kt 3 ) ( c o m m a n d ”l a y e r ”“s ”0 “、 ( c l o s ef 1 ) ( c l o s ef 2 ) ( c l o s ef 3 ) ) ( d e f u ns t c k ( f 0 ( s e t qt l ( r e a d l i n e 助 ( w h i l e ( n o t ( _ t ln i l ) ) 了 第二章空问网壳结构的计算建模 ( s e t qp t x a ( ( a t o f ( s u b s l r t l11 0 ) ) k c ) p t y a ( ，( a t o f ( s u b s t rt l1 11 0 ) ) k c ) p t z a ( ( a t o f ( s u b s t rt l2 11 0 ) ) k c ) p t x b ( ( a t o f ( s u b s t r t l3 610 ) ) k c ) p t y b ( ，( a t o f ( s u b s t r t l4 61 0 ) ) k c ) p t z b ( ，( a t o f ( s u b s t rt l5 61 0 ) ) k c ) c t a ( a t o f ( s u b s t rt l6 6l o ) ) p t x a ( + p t x ap t x 0 ) p t y a ( + p t y a p l y 0 ) 眦a ( + p t z a p t z 0 ) p t x b ( + p t x bp t x o ) p t y b ( + p t y bp t y 0 ) p h m ( + p t z bp t z 0 ) ) ( s e t qp t a ( l i s tp t x ap t y ap t z a ) p t br u s tp t x bp t y bp t z b ) ) ( c o m m a n d ”l i n e ”p t ap t b ”) ( s e t qt l ( r e a d - l i n e 毋) ) 0 t i n t ”a a , t ”) ) ( d e f u nd s t c k ( f d ( s e t qt l ( a d - l i n ef 功 ( w h i l e ( n o t ( = t ln i l ) ) ( s e t qp t x a “( a t o f ( s u b s t rt l1 1 0 ) ) k c ) p t y a ( ，( a t o f ( s u b s t r t l1 11 0 ) ) k c ) p t z a ( ( a t o f ( s u b s t rt l2 11 0 ) ) k c ) p t x b ( ，( a t o f ( s u b s t r t l3 61 0 ) ) k c ) p t y b ( a t o f ( s u b s t r t l4 6l o ) ) k c ) p t z b ( ，( a t o f ( s u b s t rt l5 6l o ) ) k c ) c t a ( a t o f ( s u b s t rt l6 610 ) ) p t x a ( + p t x ap t x 0 ) p r 忪什p t y a p t v 0 ) p t z a ( + p t z ap t z 0 ) p t x bhp t x bp t x 0 ) p t y b ( + p t y bp t y 0 ) p t z b ( + p t z bp t z 0 ) ；p t x a l ( + p t x a ( + 0 2 ( c o s ( + c t a1 5 7 0 7 9 6 3 ) ) ) ) ；p t x a 2 ( + p t x a ( + 0 2 ( c o s ( - c t a1 5 7 0 7 9 6 3 ) ) ) ) s 第二章空间同壳耋吉构的计算建模 ；p t y a l ( + p t y a ( + 0 2 ( s i n ( + c t a1 5 7 0 7 9 6 3 ) ) ) ) ；p t y a 2 ( + p t y a ( + 0 2 ( s i n ( - c t a1 5 7 0 7 9 6 3 ) ) ) ) ；p t x b l ( + p t x b ( + o ，2 ( c o s ( + c t a1 5 7 0 7 9 6 3 ) ) ) ) ；p t x b 2 ( 十p t x b ( + 0 2 ( c o s ( c t a1 5 7 0 7 9 6 3 ) ) ) ) ；p t y b ( + p t y b ( + 0 2 ( s i n ( + c t a1 5 7 0 7 9 6 3 ) ) ) ) ；p t y b 2 ( + p t y b ( + o 2 ( s i n ( - c t a1 5 7 0 7 9 6 3 ) ) ) ) ) ( s e t qp t a i ( l i s tp t x ap t y ap t z a ) p t b i ( l i s tp t x b p t y bp t z b ) ；p t a 2 ( l i s tp t x a 2p t y a 2p t z a ) ；p t b 2 ( l i s tp t x b 2p t y b 2p t z b ) ) ( c o m m a n d ”l i n e ”p t a lp t bl ”1 ；( c o m m a n d ”l i n e ”p t a 2p t b 2 ) ( s e t qt l ( r e a d - l i n ef 0 ) ) ( p r i n t ”a a ”1 ) 根据建筑方案的要求，采用本文编制的a u t o l i s p 程序，完成了这一实际工程的三维几 1 可模型的建立。结构三维几何如图2 所示。 本文的结构计算采用专用软件m s t 2 0 0 4 、3 d 3 s 和通用软件a n s y s 。这些软件都可以和 a u t o c a d 进行数据传输，所以结构几何建模完成后可将数据直接转入到计算软件中进行 结构分析。 图27 2 米跨度空间网壳结构透视图 9 第二章空间网壳结构的计算建模 2 3 三维有限元模型 2 3 1 结构几何及材料参数 在上述几何模型的基础上，导入到结构分析程序中便可实现结构的受力性能分析。针对 本文实际工程的特点，将整体结构划分为两个单体进行结构设计。单体1 的节点数为2 8 6 2 ， 杆单元数为l1 2 9 2 ，均为杆单元，如图3 所示；单体2 的节点数为2 5 2 5 ，单元数为9 9 9 4 ，均 为杆单元，如图4 所示。每个单体都由网架立柱、屋盖网架、天窗网架、墙面网架、装饰立 柱五个部分组成。 结构构件和连接节点的材料均为q 2 3 5 b 。杆件均采用园管截面，截面规格为：7 6 * 3 5 ； 8 9 * 4 0 ；l1 4 4 0 ；1 4 0 4 5 ；1 5 9 * 6 0 ；1 6 8 8 ，o ；1 8 0 * 1 0 ：1 9 4 1 2 ：2 1 9 + 1 4 ；2 4 5 * 1 4 。 围3 单体1 的计算简围 2 3 2 结构载荷参数 所有荷载均作用在节点上。荷载取值如下： f 1 ) 屋面：上弦：恒0 3 活0 5 下弦：恒0 2 5 ( 电器0 0 5 ；马道0 2 ) 空调荷载( 上，恒) 为8 0 k n 个，每1 5 m 布置3 个，8 0 3 1 1 5 = 1 6k n m 每个节点的荷载为1 6 4 3 = 6 9k n 。 1 0 第二章空间网壳结构的计算建模 ( 2 ) 墙体：恒：o 7 k n m 2 ，每个节点的荷载为o 7 * 3 * 3 2 = 6 8i 洲( 作用于外侧) ( 3 ) 风荷载：基本风压为w 0 = 0 4k n m 2 ，u z = 1 4 9 ( 高3 5 叫u s o 8 风荷载标准值为：w k = 0 4 1 4 9 + ( 0 8 ) 一0 4 8 ( 屋面) w k = 0 4 + 1 4 9 * 1 = 0 6 ( 墙体) ( 4 ) 雪载：s o = 0 3 5 k n l m 2 ( 5 ) 地震：7 度设防，基本地震加速度o 1 5 9 ；第一组；多遇地震，i i 类场地土 田4 单体2 的计算简围 2 3 3 结构支撑条件 这一结构的支撑体系较为复杂，空间网壳结构一边支承于相距1 5 米的网架柱上，另一 边支承于相距1 5 米的落地筒壳上，山墙两边支撑于间距不等的落地网架墙上。支座节点初 步设计为弹性铰支座。 第三章空间厨壳结构的静力分析和优化设计 第三章空间网壳结构的静力分析和优化设计 3 1 结构设计依据 本工程结构的主要设计计算依据为： 建筑结构荷载规范( g b 5 0 0 0 9 2 0 0 1 ) 建筑抗震设计规范( g b 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ) 钢结构设计规范( g b 5 0 0 1 7 - 2 0 0 3 ) 建筑钢结构焊接技术规程( j g j s i 2 0 0 2 ) 网架结构设计与施工规程( j g j 7 - 9 1 ) 钢网架螺栓球节点( g b j 7 51 - 9 1 ) 网架结构工程质量检验评定标准( j g j 7 8 9 1 ) 钢结构工程施工及验收规范( g b 5 0 2 0 5 2 0 0 1 ) 3 2 载荷工况组合 共考虑了1 0 种载荷工况组合。 ( 1 ) 1 2 静 ( 2 ) 1 2 静+ 1 , 4 活( 全跨活、半跨活) ( 3 ) 1 0 静+ 14 风( 四个方向风载) ( 4 ) 1 2 静+ 1 4 活+ o8 4 风 ( 5 ) 1 2 静+ 1 4 温( + 3 0 ，- 3 0 ) ( 6 ) l ，2 静+ 1 4 活+ 1 , 4 温( + 3 0 ，- 3 0 ) ( 7 ) 1 0 静+ 1 4 * 0 7 活+ 1 4 风 ( 8 ) 1 2 静十1 3 地震荷载 ( 9 ) 1 2 静+ o 5 14 雪+ 1 3 地震荷载 ( 1o ) 1 2 静+ o 5 1 4 雪+ 1 4 02 风+ 1 3 地震荷载 3 3 静力优化设计结果 采用空间结构设计软件m s t 2 0 0 4 和3 d 3 s 进行7 2 米跨度空间网壳结构的静力优化设计 计算结果如下。 墨三兰皇璺翌塞堕塑墼堡塑坌塑塑垡竺丛 3 3 1 单体1 节点位移 在主工况( 恒+ 活) 作用下，单体1 结构的变形如图3 1 所示。 田3 1 簟体1 的变形阻 ( 注t 上囤中黑线条表示变形后的结构。) 在主工况( 恒+ 活) 作用下，结构位移最大的前十个节点的位移如表3 1 3 4 所示。 衰3 1 “x 向位移”最大的前1 0 个节点位移( 单位：哪) 序号 节点号 x 向位移y 向位移z 向位移位移平方和 18 21 7 21 lo562 1 2 28 11 7 。11 l 。6 6 。2 2 1 6 38 3 1 7 0 1 0 0 5 52 0 5 45 l1 6 81 3 2 - 1 8 52 8 2 55 01 6 8t 3 ，9 - 1 9 42 9 2 68 0 1 6 5 1 1 7 - 7 42 1 5 72 1 01 6 52 5 3 6 4 5 7 i2 8 2 5 4 9 - 1 6 5 - 27 - 8 9】8 9 9 4 9 1 6 4 1 43 - 2 032 9 7 1 02 1 l1 6 4* 2 6 1- 6 226 9 4 表32 “y 向位移”最大的前1 0 个节点位移( 单位：嘞) 序号节点号x 向位移y 向位移z 向位移位移平方和 i 2 0 0 93 95 1 2- 7 6s 19 2 2 0 0 43 75 0 17 05 07 3 2 0 0 3 3 3- 5 0 l - 8 6 5 0 9 1 3 繁三章空间网壳结构的静力分析和优化设计 4 2 0 0 1 3 3 4 97 8 15 0 5 5 2 0 0 2 3 7 4 97 655 0 3 6 1 9 8 82 24 9 0 - 7 6 4 97 7 2 0 0 2 ，94 8 48 ，64 9 2 8 2 d 0 83 24 8 47 04 90 9 2 0 0 63 24 8 1- 654 86 1 0 2 0 0 52 94 8 18 14 89 表33 “z 向位移”最大的前1 0 个节点位移( 单位；n l n ) 序号节点号x 向位移 y 向位移z 向位移位移平方和 1 2 0 1 78 4 3 s 1 - 9 9 0 1 0 s 4 2 2 0 4 18 7 3 3 1 - 9 8 4 1 0 4 2 3 2 0 2 58 53 4 5- 9 8 41 0 4 6 4 2 0 3 38 63 3 8- 9 8 2 1 0 4 2 5 8 1 37 f 4- 3 5 2- 9 8 11 0 4 5 6 7 8 37 5- 3 5 5- 9 8 01 0 4 5 7 5 6 27 33 7 5- 9 7 91 0 5 1 8 5 9 37 2- 3 8 69 7 91 0 5 5 9 6 5 66 7 3 7 7- 9 7 91 0 5 1 1 0 6 9 66 8- 3 8