建筑工程系空间结构实例讲解课件

1、空间结构案例分析同济大学建筑工程系钢结构理论和施工技术研究室空间结构案例集【案例集】1. 国家大剧院 0209012. 上海国际会议中心 0209213. 常州玫瑰园 1207164. 江宁体育馆 0305065. 上海南站 0310286. Ben Aknoun 体育馆 0605107. 千岛湖绸云 1010258. 北京朝天轮 090101【案例集】9. 盐城体育场 12031110. 大同美术馆 11110511. 枣庄体育馆 12051412. 嘉兴网球中心 070727【案例集】13. 东莞科技馆 03032014. 世博会民企馆 09060415. 西藏会展中心 12072816.

2、 某储煤场网壳 100123【案例集】案例8-北京朝天轮 提纲 工程概况 荷载计算 结构体系 结构选型 结构分析 节点设计第1节工程概况1.1 发展历史 Ferris Wheel 费里斯大转轮世界首座1893年芝加哥直径76m总高80m1.1 发展历史 London Eye 伦敦眼1999年直径128m总高135m1.1 发展历史 Sky Dream天空之梦2001年直径112m总高120m日本 福冈1.1 发展历史 Tientsin Eye 南昌之星2006年直径153m总高160m1.1 发展历史 Singapore Flyer新加坡飞行者2008年直径150m总高165m1.1 发展历史

3、 Tientsin Eye 天津之眼2009年直径110m总高120m1.2 工程概况 北京朝天轮？年直径193m总高208m轿厢48个1.3 结构分类 轮辐结构刚性轮辐柔性轮辐支撑结构塔架结构单侧柱+斜拉索双侧柱+斜拉索第2节结构体系2.1 结构体系概览 轮缘轮辐索转轴A架柱斜拉索下部支架2.2 轮辐结构 轮辐结构：轮缘+轮辐索2.2 轮辐结构 轮辐索48根平行钢丝束7x253轮缘三角形桁架2.3 支撑结构 支撑结构：双侧柱+斜拉索平行钢丝束大钢管【思考01】从图中判断柱脚是铰接还是刚接？柱顶是铰接还是刚接？2.4 转轴 转轴：轴心+轴套通过轴承连接2.5 下部支架 2.5 下部支架 驱动装

4、置朝天轮新加坡飞行者录像【思考02】如何在计算模型中简化驱动装置？2.5 下部支架 导向装置新加坡飞行者朝天轮【思考03】如何在计算模型中简化导向装置？第3节荷载计算3.1 恒荷载 轮辐结构自重 + 轿厢重量伦敦眼：128m， 约1500吨【思考04】方案阶段如何估算大轮的总重？天津眼：110m， 约900吨朝天轮：193m， 约34004000吨搜集类似工程资料，重量基本和直径2.02.5成正比3.2 风荷载 基本风压：【思考05】和周期相近的高层建筑和普通高耸结构相比，风振系数是更大还是更小？wk=0.135 kN/m2运行工况wk=0.50 kN/m2暴风工况7级风100年一遇体型系数：

5、构件挡风us=0.701.30高度系数：C类地貌风振系数：z3.2 风荷载 【思考06】试估算总风荷载？风荷载作用下的总倾覆力矩？中心标高108m高度系数uz=1.72体型系数us=1.0风振系数z=2.0风压标准值wk=1.72 kN/m2大轮轮廓面积A=29240 m2挡风面积比率17%总风荷载标准值约850吨总倾覆力矩850*108=91800 吨米3.2 风荷载 【思考06续】假设两边大轮风的方向不一致，试估算总扭矩？风压标准值wk=1.72 kN/m2大轮轮廓面积A=29240 m2挡风面积比率17%总风荷载标准值约425吨总倾覆力矩425*128=54400 吨米力臂长度2D/3=

6、128米3.3 地震作用 设防烈度：【思考07】试评估小震和暴风谁控制设计？8度计算方法：振型分解反应谱 + 时程分析中心标高108m大轮总质量约4000吨地震影响系数max=0.16水平地震作用4000*0.16=640吨总倾覆力矩640*108=69120吨米3.4 传力路径 竖向荷载传递路径轮缘轿厢重量下半边轮辐索转轴支撑系统基础【思考08】如何保证上半边轮辐索不松弛？3.4 传力路径 横向水平荷载传递路径【思考09】如果保证上半边轮辐索松弛，对轮辐的抗弯刚度有和影响？3.4 传力路径 横向扭矩传递路径【思考10】暴风锚具能否抗扭？为何分别设置暴风挡板和导向轮，各自起作用的工况？3.4

7、传力路径 纵向水平荷载传递路径纵向风和地震左半边轮辐索转轴支撑系统基础第4节结构选型4.1 支架选型支架形式：建筑造型，场地限制，用钢量【思考11】下列支架形式中，哪些是错误的？4.1 支架选型A架柱直径：建筑造型，整体稳定承载力【思考12】已知A架柱长度为120m，截面采用圆钢管，试选取A架柱的外径？如何验证截面的合理性呢？选型原则：长细比圆管支撑：80120钢柱：4080网架：150直径d=5m长细比=70方管4.1 支架选型整体稳定分析直径4m第1阶屈曲模态稳定系数5.254.1 支架选型整体稳定分析直径5m第1阶屈曲模态稳定系数6.7754.1 支架选型【思考13】为了提高A架柱的整体

8、稳定承载力，减小长细比，把柱脚改为刚接是否合理？基础斜拉索作用桁架杆件的刚接格构柱的缀条4.1 支架选型A架柱壁厚：局部稳定承载力，经济性【思考14】已知A架柱直径5m，材质Q390，选取壁厚30mm，是否合理？有什么构造措施防止局部失稳？圆管：方管：工字形翼缘：设置加劲肋4.1 支架选型局部稳定分析加劲肋构造无加劲肋有加劲肋第1阶屈曲模态4.2 轮辐索选型轮辐索的布置数量：48根（对应轿厢位置）面外两侧布置面内偏心布置两侧布置【思考15】两侧布置的目的是什么？4.2 轮辐索选型【思考16】偏心布置的目的是什么？北侧：逆时针偏心南侧：顺时针偏心4.2 轮辐索选型中心布置偏心布置4.2 轮辐索选

9、型偏心距的确定：偏心距过小：抗扭刚度不足偏心距过大：轴套受扭过大d=700=D/2504.2 轮辐索选型轮辐索的预拉力预拉力下限：由 0度索控制，防止松弛预拉力上限：由180度索控制，满足安全系数轮辐索拉力分布最小索力最大索力4.2 轮辐索选型预应力取值原则：不松弛，尽量小加大轮辐索安全系数的恶性循环最终取值：2.5加大轮辐索截面 防止松弛预拉力变大轮缘压力变大，变重180度索拉力变大4.2 轮辐索选型参数：180度索安全系数控制工况：暴风STC+自重+预应力4.2 轮辐索选型参数：0度索拉力控制工况：暴风STC+自重+预应力4.2 轮辐索选型参数：顶点侧移控制工况：暴风STC+自重+预应力4

10、.2 轮辐索选型参数：90度索悬垂控制工况：自重+预应力4.2 轮辐索选型参数：压缩变形参数：不圆度4.2 轮辐索选型无重状态初始预拉力：N=3200kN大轮（含轿厢）总重：G=4000T48N/G = 3.844.3 轮缘选型轮缘结构的尺寸轿厢尺寸抗弯刚度抗压刚度连接轮辐索外轮缘直径 D=190m轮缘宽度 B=9mD/B=214.3 轮缘选型轮缘构件的截面内轮缘：钢管 1120*30外轮缘：组合截面 660 x25+400 x400第5节结构分析5.1 边界条件切向：非线性弹簧摩擦系数运行速度大轮平面外：无约束驱动装置5.1 边界条件导向装置切向：无约束大轮平面外：带间隙非线性弹簧5.1 边

11、界条件暴风锚具切向：弹簧大轮平面外：弹簧油缸锁定力非运营状态5.1 边界条件暴风挡板切向：简化为自由大轮平面外：较大间隙非线性弹簧5.2 计算模型 有限元模型： 两个模型：运营状态，暴风状态 结构方位：5.3 静力性能构件应力比空间合成最大变形(荷载组合014)X方向最大变形(荷载组合011)Y方向最大变形(荷载组合008)Z方向最大变形(荷载组合017)运营状态变形5.3 静力性能暴风状态变形空间合成最大变形(荷载组合145)X方向最大变形(荷载组合151)Z方向最大变形(荷载组合164)Y方向最大变形(荷载组合146)5.3 静力性能1）运营状态： 最大变形为254mm，发生在组合142）

12、暴风状态： 最大变形为792mm，发生在组合1455.3 静力性能变形验算5.4 抗震验算 运营状态动力特性序号Mode 1Mode 2Mode 3Mode 4Mode 5Mode 6Mode 7Mode 8Mode 9Mode 10周期(s)3.4063.2032.8072.0891.6171.4931.4931.3931.3181.290第一阶振型（T=3.406）第二阶振型（T=3.203）第五阶振型（T=1.617）第六阶振型（T=1.493）第三阶振型（T=2.807）第四阶振型（T=2.089）5.4 抗震验算第九阶振型（T=1.617）第十阶振型（T=1.493）第七阶振型（T=

13、2.807）第八阶振型（T=2.089）5.4 抗震验算 暴风状态动力特性序号Mode 1Mode 2Mode 3Mode 4Mode 5Mode 6Mode 7Mode 8Mode 9Mode 10周期(s)3.7513.5193.3332.8422.8071.8641.5511.4931.4891.290第一阶振型（T=3.751）第二阶振型（T=3.519）5.4 抗震验算第五阶振型（T=2.807）第六阶振型（T=1.864）第三阶振型（T=3.333）第四阶振型（T=2.842）5.4 抗震验算第九阶振型（T=1.489）第十阶振型（T=1.290）第七阶振型（T=1.551）第八阶

14、振型（T=1.493）5.4 抗震验算5.4 抗震验算 抗震性能目标： 构件类型 性能目标 整体结构 常遇地震(小震)弹性 A架柱、稳定索、轴心轴套 设防烈度为地震(中震)弹性；在罕遇地震(大震)下不屈服，确保不发生整体倒塌 轮缘 设防烈度地震(中震)弹性，OPC状态罕遇地震(大震)作用下，允许轮缘的部分构件屈服，但不能出现轮缘的整体断裂；轮缘发生整体扭曲变形应较小，以使轮缘在救援装置的牵引下转动，保证人员逃生 轮辐索 罕遇地震(大震) 作用下允许屈服，但不发生断裂 驱动导向支架 设防烈度地震(中震)弹性及罕遇地震(大震)作用下不屈服 抗震性能评价指标：构件的应力比5.4 抗震验算 参数选取：

15、常遇地震： 建筑抗震规范GB50011设防烈度地震、罕遇地震： 北京朝天轮工程场地地震安全性评价报告设防防烈场地加速度(g)地震分组场地类别最大地震影响系数max(g)场地特征周期Tg(s)时程波峰值Amax(gal)阻尼比小震80.2IIII0.160.45700.02中震0.50.72000.03大震0.930.954000.04【思考17】注意大震、中震、小震的阻尼比取值。1）运营状态： 常遇地震 规范规定的设计强度（构件验算） 设防裂地地震 屈服强度 弹性 罕遇地震 屈服强度 弹性 2）暴风状态： 常遇地震 规范规定的设计强度（构件验算） 设防裂地地震 规范规定的设计强度 罕遇地震 屈服强度 弹性3）第一阶自振周期： 运营状态(T=3.406s) 暴风状态(T=3.751s)5.4 抗震验算总结运营状态