土木工程概论结课模板

1、论文题目： 河西学院河西讲堂的认识 姓 名： 罗 茜 班 级： 土木工程151（工程管理） 学 号 ： 联系方式：完成日期： 2015-12-13 指导老师： 李春锋（副教授） 土木工程概论论文成绩评定表本门课程的心得体会成绩评定依据考核指标分 值得 分论文中英文摘要高度概括20论文格式规范20论文内容详实，条理清楚60总 分指导教师评语指导教师（签名）： 结课论文要求：土木工程概论结课论文选题及相关要求 适用专业：土木工程专业、工程管理专业；土木工程概论是土木工程类各专业的专业基础课，意在使学生通过对本课程的学习了解土木工程的基本概念、任务及本学科发展对区域乃至国家

2、人文和社会、经济等领域的发展所产生的重大影响。增强学生的专业自豪感，进而激发出更加浓厚的学习兴趣。本课程结课方式要求学生按规定撰写学习论文并提供电子版本以备存档。以下为我院2015级本科土木工程专业及工程管理专业论文选题及相关要求，请以上各专业同学按相关要求认真执行。一、论文选题1、对土木工程的基本认识。2、从我国当前土木工程领域重点项目建设成就看土木工程未来发展。3、对土木工程子项目（如招标、设计、施工、管理、材料选择及新材料、新技术、新工艺等方面）的认识。4、怎样做一个合格的土木工程专业毕业生。5、对土木工程发展史的理解与认识。6.对河西学院现有建筑的认识与体会。二、论文要求1、字数要求3

3、0005000字。2、A4纸打印，标题为宋体小二号字，正文采用宋体小四号字，行距1.5；页边距上下左右均为2.5mm。3、论文正文前要有摘要、关键词，文后附参考书目。4、论文加封面。5、引用文献资料及参考书目请于文章最后附“参考文献”。三、推荐参考书目1、土木工程概论 罗福午主编，武汉理工大学出版社出版；2、土木工程概论 丁大钧、蒋永生主编，中国建筑工业出版社出版；3、土木建筑文献检索与利用 肖友瑟主编，大连理工大学出版社出版；4、建筑材料与人居环境 杨静主编，清华大学出版社出版；四、相关资料检索方式1、校园网主页下方点击“中国知网”，选择IP登陆，进入“新乡学院机构馆”即可查阅搜索相关期刊文

4、献。2、校园网主页下方点击“中国国家图书馆”，在“文津搜索”空格中输入关键词或书名可直接观看下载电子版图书。五、论文完成时间2015年12月25日前一种“空间结构减风压方法”的探索王秀丽 高超（兰州理工大学土木工程学院，甘肃 兰州 730050）摘要：空间结构以其内部空间布置的灵活性而在各种场合得到了广泛的应用，然而风荷载对于该种结构的正常使用产生了极大的影响。一般而言，主体结构构件截面上因风荷载产生的应力要小于因地震产生的应力，然而围护结构因为风荷载而破坏的事故却屡见不鲜，可以说，围护结构的风致破坏是空间结构正常使用的短板。本文以单层球面网壳为风荷载作用对象，应用有限元软仿真，通过流-固单项

5、耦合(FSI)探讨了一种减少空间结构表面风压的方法，并且初步探讨了这种方法对主体结构应力的影响。结果表明，这种方法能显著改善网壳结构表面的风压分布。这种方法对其它结构形式的减风压的研究也有启发意义。关键词：空间结构 球面网壳 流-固单项耦合 风压分布 减风压方法A Search of Wind-Pressure-Reducing Method in Spatial StructuresWang Xiu-li GaoChao（School of Civil Engineering, LAN Zhou University of Technology，GAN Su LAN Zhou 730050）

6、Abstract: Spatial structures have been vastly applied on various occasions for the flexibility of the interior space arrangement. Yet wind loads introduce detrimental influence to the normal using of this kind of structures. Generally speaking, the stress, produced by wind loads and occurring on the

7、 sections of the elements in frame structures, is less than that caused by seismic, however, the wind loads-causing-destructions is commonly occurring to envelope structures and we may safely come to a conclusion that to the application of large-span structures, the destroy resulting in wind loads a

8、nd occurring in the envelope structures, is becoming the buckets effect to the use of large-span structures. A Wind-Pressure-Reducing Method in spatial structures has been discussed via FSI in this paper, in which a single-layer spherical shell has been introduced as the target for wind loads and th

9、e finite element software has been employed to carry out the simulation, and the influence caused by the method to the stress occurring on the frame structure has been taken into account as well. The result shows that this method can considerably improve the distribution of surface wind pressure on

10、shell structures. This method is also instructive for studying on the reduction of wind pressure in other structures.Keywords: Spatial Structures, Spherical Shell, FSI, Wind Pressure Distribution, Wind Pressure-Reducing Method1 引言作为一种极富表现力的结构形式，大跨度空间结构已经在国内外得到了前所未有的发展。覆盖面积大及内部空间使用灵活等适用性使其颇合设计师的偏好，然而

11、，这种禀赋也使得该种结构有其先天的不足：质量轻、柔性大、阻尼小并且还在向着更轻柔的方向发展，可以预料其风敏感性还将不断增强这使得风荷载对此类结构设计的主导影响日甚一日。学界对结构风荷载的研究可以上溯至120多年前：早在19世纪末期，由于一些桥梁在风暴中损坏，工程师们在建设桥梁和高层结构时开始注意到了风荷载的存在。对风荷载的研究经历了 “空气抗力理论”、在均匀风洞中用缩尺模型实验测得“风压系数”、以空气动力学为基础的风压确定方法的研究；经过了对结构的动力响应关注、湍流风的模型的建立、“阵风荷载因子法”的提出发展到 “以概率统计确定风荷载” 的方法，近几十年，又出_基金项目：作者简介：王秀丽，（1

12、963-），女，辽宁人，教授，博士生导师，从事空间结构与钢结构研究（Email: wangxl）现了基于随机振动的方法研究横风向响应、基于可靠度的方法以及以数值风洞模拟与风洞缩尺实验结合的方法进行抗风设计的方法1各种方法竞相亮相，其应用皆是方兴未艾。凡此种种，无不说明关于结构抗风设计的研究已是汗牛充栋了。早在1995年，风工程奠基人之一的Davenport就曾经说过：如果没有风，结构,尤其是大型结构的设计将会容易很多，造价也会低很多2。然而，时至今日，结构的风破坏依然是设计师和使用者头疼的问题，有关结构因为风荷载破坏的记录亦是连篇累牍：1989年9月21日美国南加利福尼亚的Hugo飓风3、20

13、05年的卡特里娜飓风 4、国内8807号台风、9417号台风5以及2003年苏州遭遇的风灾6均给当地建筑造成巨大破坏。应该说，绝大多数大型建筑都是按照规范（部分建筑由于功能的重要性甚至可能按超规范）设计并且做了缩尺模型风洞试验的，施工验收也都按照法定程序交接，但是相当一部分建筑在承受的风荷载未达到设计限值时就破坏了，例如：北京地区、重现期为50年的风压基本值为0.45kN/m²7。由伯努利方程导出风速与风压的关系 （1）（式中为基本风压值，为当地空气容重与当地重力加速度的比值，北京地区的数值取1620，为风速）8,9换算成标准高度（10m）处的风速为27m/s，然而2010年12月1

14、0日，北京首都国际机场3号航站楼在26m/s的风速下，屋面围护结构遭到了破坏，保温材料散落在飞机跑道上，造成机场关闭，多趟航班延误（据腾讯新闻）。传统的抗风设计为大型建筑的设计提供了比较有力的技术支持，但是就现状来看，传统的抗风设计还不能完全满足工程需求。本文通过改变风场的边界（即改变维护结构的表面机理）影响了风场边界上风压的分布，进而改善了围护结构静风作用下的受力和变形情况。笔者希望本文的研究工作能成为目前使用的抗风设计方法的一种补充思路。2 建模风是一种随机荷载，其作用的方向性不强（虽然建筑结构的外形会使响应的方向性很显著，譬如矩形平面的建筑的迎风面和背风面的风压系数就大相径庭7,8,9,

15、10,18，但是由于建筑朝向的随机性，从建筑群来讲，这种建筑个体的方向性就被大大弱化了，所以我们关注的还是风荷载本身的方向性），为达到 “研究结构对称部位对任意方向风荷载的不同响应”的目的，应选取称性好的结构作为风压研究的载体，当然，这个结构也可以是筒体或者其他形式的中心对称结构，但是由于本文意欲着重探讨如何改善大跨度空间结构的表面风压的分布，所以选取球面网壳作为研究载体。以最经济的手段迅速探讨改造的有效形式是初步探讨的目标，而数值计算有模拟费用低、计算周期短、不受模型尺寸影响、改变模型几何参数方便、可视化功能强大等优点，所以本文以有限元仿真作为技术手段进行目前阶段的分析。由于大多数大跨度屋盖

16、结构多为钝体形状，其绕流不可避免地伴随着撞击、分离、再附、环绕和旋涡脱落等复杂的流动现象，因而在结构风工程领域的CFD（Computational Fluid Dynamic，即计算流体力学）数值模拟要比水工管流和机翼绕流等问题复杂得多，还远没有达到成熟的地步6，用CFD计算得来的瞬态分析或者气动弹性分析（即流-固双向耦合，除了像单向耦合那样考虑风场对结构位形的影响，还要考虑结构位形的改变对风场改变的影响，如此反复迭代）结果的可靠性有待商榷。例如Tamura提出：即便是对于一些形状简单的三维绕流情况，CFD计算结果的精确性也仅限于对一些平均物理量(如平均风压、阻力系数等)的模拟上，而对于流动中

17、高频脉动成份的模拟与试验结果尚有出入11，同时有工程（甘肃会展中心）表明，用CFD对非大变形柔性结构进行刚性模型的静风计算可用12，所以本文进行了刚性模型的静风计算，并以此结果作为对大跨度空间结构表面机理改造的预演和对试验方案的参考。一俟改造方案讨论成熟，再用试验来检测这些改造方案的有效性和进行进一步研究（如进行瞬态风压和结构的风振分析）。围护结构的造型的改动势必影响网壳表面风压的分布的变化，进而会使主结构构件截面的应力发生改变。为方便观察这种变化，本文选取单层网壳作为承风载体，主要参数如下：主结构跨度100m，矢高25m，环向48节，径向9节，平面如图1（a）所示。为方便叙述，现规定如下：以

18、网壳最高点（即平面上的中心）为0环，径向向外依次为1、2、3、以至9环；以中心点为原点 、以右为轴正方向建立平面直角坐标系，以逆时针方向顺次将平面分为、四个象限，环向节点依次称为0、1、2、11、0、1、11，则每一个节点均可以用类似（8，20）这样的坐标（前者表示节点所处的环数，后者表示节点与轴正方向的夹角关系）来说明了。 （a）网壳平面尺寸（mm） （b）1/48平面杆件布置 图1 网壳平面尺寸及主结构杆件布置示意图整个网壳的材料统一考虑为Q235钢，密度7850kg/m³。杆件共四种截面：a.1405（外径壁厚，单位均为mm，以下未说明的均为此单位）、b.1526、c.1521

19、2、d.19416，四种截面的杆件设置如图1（b）： 环杆：1环设c，2、6、7、8环设b，3、4、5环设d， 9环设a；径杆：03环间设c，36环间设d，69环间设b；斜杆均设b。节点上考虑成加肋焊接球（主要考虑节点质量对自振频率和地震时程分析下应力的影响），尺寸为50062506（外径壁厚肋板孔径肋板厚），等效质量为42.61kg，将其等效成长度（指向网壳面的球心）为625的支杆（在有限元仿真中用来连接主结构与覆材），取截面尺寸为300281；檩条自重的线荷载为0.1kN/m,考虑其铺设的最大间距为3m和铺设位置，按质量等效取檩条截面为1009；网壳结构的恒载取0.5kN/，用6.5厚的钢

20、板来模拟（按檩条区格铺设）。此模型称为完全模型。建模完成后，得到的结果如下：覆材面积约为9980，檩条质量约为107530kg，屋面板质量约为509250kg，等效恒载为0.6056kN/，模型质量分布符合实际情况。3 结构模态与地震时程分析首先使用简化模型（将覆材和支杆质量分配到主结构的节点上的质量等效模型）对网壳进行了模态分析和地震力作用下的瞬态分析。按照就近传力的原则，计算各环节点上的等效质量如表1所示，同法进行活荷载的分配，按照0.5kN/取值，计算1/48的平面上节点的活载值，如表2所示。用简化模型进行模态分析，对9环各节点施加三向线位移约束，计算前50阶固有频率和振型（只考虑惯性力

21、，不考虑活荷载和重力加速度）。前9阶频率如表3所示，部分振型如图2所示。表1 简化模型各环节点上的质量分配环编号0123456789计算质量（kg）2085.40379.87713.621040.321356.561659.011944.462209.882452.431330.55采用质量（kg）2085.40379.87876.971343.562066.441343.56等效杆件的半径（mm）367.8157.0238.5295.2366.2295.2表2 质量等效模型各环节点上的质量分配环编号01234567891/48平面活荷载值（N）337.122675.405237.437577

22、.899597.7611211.5612350.8412967.4813035.656586.86各环节点总值（N）16181.99 128419.20 251396.51 363738.92 460692.58 538154.85 592840.22 622438.94 625711.30 316169.48 注：表中的荷载方向向下，即与轴的负方向一致。表3 简化模型前9阶自振频率自振阶数123456789频率（Hz）0.496850.496851.07561.07561.07751.07751.08671.18041.1804（a）第1阶振型 （b）第3阶振型 （c）第5阶振型图2 简化模

23、型部分自振振型由图2可以看出，前四阶的自振均为局部振动，第五阶自振为整体振动，所以网壳的基频取为1.0775Hz。用简化模型进行地震时程分析时，依照数值计算瑞雷阻尼的定义，按 （2）算得=0.037123（式中为阻尼因数，钢结构取0.02，为第（本模型取5）阶自振频率，、分别叫做Alpha阻尼和Beta阻尼，数值计算时一般取=0，可用和计算得出14,15，并将、值输入到地震瞬态分析中进行计算）。选三向El-Centro波（前5s），调整最大加速度为0.4g（相当于8度罕遇地震作用）进行时程分析，约束同模态分析，考虑活荷载，暂未考虑恒荷载，计算结果如图3。（a）结构动力时程最大应力组合（单位pa

24、） （b）结构动力时程最小应力组合（单位pa）（c）结构动力总位移时程最大值（单位m）图3 结构动力时程响应4 原始方案与改造后方案的静风比较为节省计算机资源，参考风洞试验的模型比例选择（结构物对风洞的阻塞度宜在7%以下，最大不应超过10%）9，本文在建模时取半径为95m半圆形截面的柱状空气为流体域。设置流体域的长度：向结构覆材前后边缘均向外延伸近200m，整个空气域的长度达到500m（如图4）。图4 空气域的几何尺寸及网格划分地面粗糙高度按市镇取100cm，参照文献8,9中“平滑水泥地或者冰面”取围护结构表面的粗糙高度为0.001cm。风的入流方向为沿轴正方向，速度按照指数率取值： （3）（

25、式中表示要求的速度点的高度；表示标准高度，取10m； 表示地面的粗糙度系数，照顾全国大多数省会城市可按B类粗糙度取0.16； 表示标准高度处的设计风速，取风压标准值为可覆盖全国大部分地区的0.6kN/，按沿海地区取值1740，按式（1）求得=32.31m/s；表示高度为处的平均风速。）8设风为定常流，空气为不可压缩连续流体，按湍流模型计算得原始结构（称为O型方案）的表面风压如图5（风压按18级划分）所示。图5 O型网壳表面风压分布图为减少高尔夫球飞行时的阻力，设计师对其表面机理进行了改造本文由此得到启发，参考了一些国内外风工程领域的研究成果15,16,17,18，对网壳表面进行了2种类型、6种

26、形式的改造，分别为Ring型（称为A型，文中分析了 A1、A2、A3三种）改造和Rib型（称为B型，文中分析了B1、B2、B3三种）改造（实际还可以根据网壳结构的不同选择斜肋型、点型或者其他型的改造）。图6（a）、（b）、（c）分别是O、B两种方案围护结构的造型以及B型改造的弦心距的空间含义（A型改造比B型简单，故未再赘述）。6种改造方案的技术参数见表4。（a）O型网壳围护结构造型 （b）B型网壳围护结构造型 （c）B型网壳弦心距具体含义图6 方案造型图注：图6（a）、（b）中铜绿色为分区格铺设的屋面板，铜红色的为檩条。表4 6种改造方案的技术参数 （单位mm）改造类型改造位置方案1的弦心距方

27、案2的弦心距方案3的弦心距A型（Ring型）1、2环之间，3、4环之间和5、6环之间分别起拱各环起拱的弦心距均为5000各环起拱的弦心距均为2000各环起拱的弦心距均为500B型（Rib型）从1、2之间开始，沿逆时针方向，环向每隔一节设置一道肋，用各环起拱的弧形檩条的弦心距控制形状0环0001环35020002环100050003环100050004环120060005环150080006环1800100007环2500120008环3000150009环360018000注：表4中B型的弦心距含义见图6（c）：粗线的长度即为黑色区域处的弦心距。图中局部坐标系的Z轴指向等腰梯形屋面区格腰边的交

28、点；黑色区域在如图局部坐标的XOY平面内，其曲边即为该处的拱形檩条空间轴线。弦心距是指黑色区域直边到曲边所在的圆心的距离，弦心距越小，拱的矢高越大，造型较原网壳面突出得越多。在与O型网壳边界条件相同的情况下得到的各方案围护结构表面的风压（吸力）的比较见图7（原始方案编号为O）。各个方案围护结构表面风压的详细分布情况分别如图813。5 对改造方案优劣的思考由图713可以看出，B型改造得到的风压值分布改善稍好于A型的改造方案。如果考虑排水原因，A型的方案还需要做局部修改（譬如将环状拱起的覆材从某些地方打断），但是这样一来将明显改变结构覆材表面附近的风场，对风压分布的影响也会带来较大的影响（可能是有

29、利的，也可能是不利的），且可能会使结构的风振变得更加复杂，所以在目前探讨阶段，为使影响改造方案的参数简化，本文只选了B1型与O型进行表面风压系数以及结构计算的对比，对比结果见图1315。考虑最不利影响，只将静风荷载与恒载同时计算，而未计活荷载（它会与静风载相互抵消一部分），活载在地震作用时考虑。从结果可以看出在相同定常风场内，与原始机构相比：（1）B1型改造基本保持了表面风压系数不变（O型：-0.740-2.875，B1型：-0.748-2.995）、整体风压分布规律不变（迎风方向负压最小、背风方向负压次之、顶部及两侧负压最大），使风压分布趋向于均匀，减少了网壳顶部及周边面板这一最危险部位的负

30、风压；（2）在非最危险部位，肋脊会出现较大负风压，但是由于肋型屋面增加了屋面维护结构的局部空间刚度，这些部位的变形量与发生破坏的几率较小；（3）在相同工况下， B1型改造后的主结构应力虽较O型结构略有增加，但是这些增量与地震力、活载及恒载共同作用下的应力相比，不会改变主结构的安全性，可以忽略；（4）虽然只是初步探索，但是考虑将来实际应用，B1型（也包括其他5个方案）改造曲面均为可展曲面，方便屋面的设计与制造；（5）文献【18】中还有关于烟囱顶部加设螺旋箍以达到降低漩涡振动的目的（但是会增加顺风风载），而网壳结构A、B型的改造会对风振带来何种影响还不清楚。图7 各个方案表面风压值（吸力）的比较图

31、8 A1型网壳表面风压分布图 图9 A2型网壳表面风压分布图图10 A3型网壳表面风压分布图 图11 B1型网壳表面风压分布图图12 B2型网壳表面风压分布图 图13 B3型网壳表面风压分布图（a）O型 （b）B1型图13 网壳表面风压系数对比注：若将风压按18级划分，则B1型有些部位会因风压梯度较大而难以标注，故两个方案的风压均按12级划分。结构表面等压线上的风压系数的含义是该处风压与0.6kN/m²（本例中的10m高处的标准风压）的比值，“-”表示风压为吸力。（a）O型 （b）B1型图14 网壳覆材在静风+恒载共同作用下变形的比较图15 改造前后各工况下主结构应力的比较6结论 （1）A、B型的改造均能较显著地影响网壳表面的静风压力分布，其中B1型改造的效果最理想；（2）由于是初步探索，还未考虑风振影响，在进一步研究中应该着重考虑改造方案对结构风振的影响，并且应该用试验来检测所得到的结论；（3）本文虽然只对球面网壳这种非大变形柔性空间结构进行了表面机理改造，但此法对刚性结构和索膜等大变形柔性空间的减风压设计也有参考价值。参考文献1 赵杨中美日建筑结构抗风设计规范的比较研究哈尔滨工业大学硕士论文，20052 A.G.Dave