大跨空间钢结构

大跨空间钢结构第七章大跨空间钢结构大跨空间结构是目前发展最快的结构类型。大跨度建筑及作为其核心的空间结构技术的发展状况是代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。大跨空间结构的类型和形式十分丰富多彩，习惯上分为如下这些类型：钢筋混凝土薄壳结构、网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构、索—膜结构以及混合结构，通常是柔性构件和刚性构件的联合应用。随着建筑科技的进步和经济文化发展的需要，人们在不断地追求覆盖更大的建筑空间。我国虽然尚是一个发展中国家，但由于国大人多，随着国力的不断增强，要建造更多更大的体育、休闲、展览、航空港、机库等大空间和超大空间建筑物的需求十分旺盛，而且这种需求量在一定程度上可能超过许多发达国家。这是我国空间结构领域面临的巨大机遇。7.0概述第七章大跨空间钢结构7.2.0某工程网壳屋面网壳是一种与平板网架类似的空间杆系结构，系以杆件为基础，按一定规律组成网格，按壳体结构布置的空间构架，它兼具杆系和壳体的性质。其传力特点主要是通过壳内两个方向的拉力、压力或剪力逐点传力。此结构是一种国内外颇受关注、有广阔发展前景的空间结构。本章结合一个实际的类球面网壳工程介绍网壳结构的设计过程。主要包括以下几个要点：（1）网壳结构的方案比选（2）网格模型的建立（3）网壳结构截面的优化（4）网壳结构稳定性分析（5）关键节点设计（6）网壳结构的施工图绘制本章将会用到的工具软件主要有：MIDAS/GEN、Ansys等，关于各个软件的具体使用方法请参考各软件的使用说明书。第七章大跨空间钢结构7.2.1建筑条件及结构方案比选本工程为某屋顶钢结构单层球面网壳，网壳网格采用扇形三向网格形式。整个网壳投影圆形半径为15m，矢高5m。节点采用鼓型焊接球节点，网壳周边采用20个固定铰支座与下部混凝土连接。结构设计使用年限为50年。单层球面网壳构造简单，重量轻，外观简洁优美，但稳定性较差，一般适用于中、小跨度结构。单层球面网壳的形式，按网格划分主要有肋环形球面网壳、肋环斜杆型球面网壳、葵花型球面网壳、扇形三向网格型球面网壳等。本例工程为中小型网壳屋盖，在结构设计初期分别采用两种单层网壳结构体系进行初算，通过对比计算结果，选择合适方案。第七章大跨空间钢结构7.2.1建筑条件及结构方案比选方案说明方案A：肋环斜杆型球面网壳；方案B：扇形三向网格型球面网壳。第七章大跨空间钢结构7.2.1建筑条件及结构方案比选计算条件自重×1.1来考虑包括节点在内的整体质量；恒载：1.0kN/m²；活载：0.5kN/m²；风荷载：按荷载规范考虑；地震荷载：按8°（0.2g），场地类别三类，设计地震分组第一组，按双向地震考虑耦联。温度：±20℃。第七章大跨空间钢结构7.2.1建筑条件及结构方案比选结果对比线性静力分析结果用钢量统计由上述对比分析可知，A、B两方案用钢量基本相同，但是方案B最大挠度远小于方案A，且方案B更好的控制了所有杆件的应力比，故结构采用扇形三向网格型球面网壳。第七章大跨空间钢结构7.2.2网格模型的建立结构中央屋面网壳跨度30m，矢高5m，矢跨比1/6>1/7，整体采用扇形三向网格形式。径向杆件长度均为3m，与中心相连的共有八根，每根夹角45°，环向共有5层，依次连接各杆件。网壳节点全部采用鼓型焊接球节点，网壳周边采用20个固定铰支座与下部混凝土连接。第七章大跨空间钢结构7.2.2网格模型的建立网壳环向外围共设40个节点，隔点依次布置支座，如此分布既能保证良好的结构刚度，同时又可以显著提升结构的稳定性。第七章大跨空间钢结构7.2.3网壳结构截面的优化网格模型建立完成之后，设置各工况荷载，优化杆件截面。1、结构总体控制参数结构设计使用年限50年建筑结构安全等级二级结构重要性系数建筑抗震设防等级丙类抗震设防烈度8度设计地震分组第一组场地类别Ⅲ类2、位移限值网壳结构的最大位移不应超过跨度的1/400。3、杆件计算长度壳体曲面内杆件计算长度为（1×L）壳体曲面外杆件计算长度为（1.6×L）第七章大跨空间钢结构7.2.3网壳结构截面的优化(一)、荷载1、结构自重2、恒荷载建筑做法、屋面檩条等：1.0kN/㎡3、活荷载不上人屋面：0.5kN/㎡4、风荷载风压按照50年重现期取基本风压根据荷载规范，按照B类地面粗糙度，查得48.5米高度处风压高度系数风振系数取体型系数取风压计算第七章大跨空间钢结构7.2.3网壳结构截面的优化5、温度荷载钢结构合拢温度：15℃～20℃温度荷载：升温+20℃、降温-20℃6、地震荷载抗震设防烈度：8度建筑场地类别III类场地，第一组，设防烈度地震作用下的水平地震影响系数最大值，在MIDAS中通过下图设置实现，此设置也可用来调试大震、中震、小震等不同情况。第七章大跨空间钢结构7.2.3网壳结构截面的优化(二)、荷载组合1、结构承载力复核时，考虑以下类型的荷载组合：1）1.35×恒+0.98×活（1.2×恒+1.4×活）2）1.2×恒+1.4×风（1.0×恒+1.4×风）3）1.2×恒+1.4×温度4）1.2×恒+1.4×活+0.84×风（1.0×恒+1.4×活+0.84×风）1.2×恒+0.98×活+1.4×风（1.0×恒+0.98×活+1.4×风）5）1.2×恒+1.4×活+0.84×温度（1.2×恒+0.98×活+1.4×温度）6）1.2×恒+1.4×活+0.84×风+0.84×温度（1.2×恒+0.98×活+1.4×风+0.84×温度）1.2×恒+0.98×活+0.84×风+1.4×温度（0.9×恒+1.4×活+0.84×风+0.84×温度）0.9×恒+0.98×活+1.4×风+0.84×温度（0.9×恒+0.98×活+0.84×风+1.4×温度）7）1.2×恒+0.6×活+1.3×地震(1.0×恒+0.6×活+1.3×地震)8）1.2×恒+0.6×活+0.28×风+1.3×地震（1.0×恒+0.5×活+0.28×风+1.3×地震）各种组合的分项系数按照荷载规范、抗震规范取值，地震荷载考虑水平和竖向地震的组合，最终共260种荷载组合。第七章大跨空间钢结构7.2.3网壳结构截面的优化2、结构刚度验算时，考虑以下荷载组合：恒荷载+活荷载，荷载分项系数取1.0。在结构计算处理完成后，在软件后处理中完成杆件的优化设计。第七章大跨空间钢结构7.2.3网壳结构截面的优化在设计和分析选项卡中完成最终的杆件优化设计。优化原则是在满足杆件承载力规定的基础上，节约钢材，节省造价，同时使杆件截面形式尽可能减少，从而为节点设计和施工提供方便。杆件优化后，网壳共分为两种截面，即P180×6和P133×4.5。第七章大跨空间钢结构7.2.3网壳结构截面的优化图中外圈环向杆件均为180×6的无缝钢管，其应力比均控制在0.8左右，其余内部杆件应力比均控制在0.45以下。第七章大跨空间钢结构7.2.3网壳结构截面的优化由图可知，单层网壳在结构自重、恒荷载以及活荷载下挠度为6.12mm，挠跨比为1/4901≤1/400，满足《网壳结构技术规程》的要求。第七章大跨空间钢结构7.2.3网壳结构截面的优化结构振型和周期第七章大跨空间钢结构7.2.3网壳结构截面的优化选取部分结构振型图第七章大跨空间钢结构7.2.4网壳结构稳定性分析采用通用有限元软件ANSYS10.0进行分析计算，计算模型中整体结构均视为杆系结构。由于所有构件都采用刚性连接，因而采用空间梁单元建模，采用BEAM188单元，Q235钢材，屈服强度235N/mm2，材料本构关系采用理想弹塑性材料。采用考虑几何非线性的有限元方法进行荷载——位移全过程分析是网壳结构稳定分析的有效途径。通过跟踪网壳结构的非线性荷载——位移全过程响应，可以完全了解结构在整个加载过程中的强度、稳定性以至刚度的变化历程，从而合理确定其稳定承载能力。第七章大跨空间钢结构7.2.4网壳结构稳定性分析空间网格结构技术规程规定，通过网壳结构的几何非线性全过程分析，并考虑了初始缺陷、不利荷载分布等影响后求得的第一个临界点的荷载值，可作为该网壳的极限承载力。将极限承载力除以系数K后，即为按网壳稳定性确定的容许承载力（标准值）。规程还建议系数K可取为4.2，系数确定时考虑到以下因素：1、荷载等外部作用和结构抗力的不确定性可能带来的不利影响；2、计算中未考虑材料弹塑性可能带来的不利影响；3、结构工作条件中的其他不利因素。第七章大跨空间钢结构7.2.4网壳结构稳定性分析本例在恒+活标准值组合作用下，不考虑初始缺陷的全过程曲线如下图所示。非线性屈曲荷载系数为8.5，满足规范要求。第七章大跨空间钢结构7.2.4网壳结构稳定性分析网壳的最终的变形图如图第七章大跨空间钢结构7.2.4网壳结构稳定性分析考虑初始缺陷的恒+活荷载模式下的非线性全过程曲线如图。在考虑了初始缺陷的情况下，结构非线性屈曲荷载系数降低了10.59%，这说明结构对初始缺陷是比较敏感的。第七章大跨空间钢结构7.2.4网壳结构稳定性分析考虑初始缺陷的网壳最终变形如图。第七章大跨空间钢结构7.2.5关键节点设计单层网壳内部节点采用鼓形焊接球节点，焊接球直径均为500mm，壁厚16mm。根据《空间网格结构技术规程》（JGJ7-2010），空心焊接球受压和受拉承载力设计值NR可按下式计算：第七章大跨空间钢结构7.2.5关键节点设计对于单层网壳结构，空心球承受压弯或拉弯的承载力设计值Nm可按下式计算：第七章大跨空间钢结构7.2.5关键节点设计本节以网壳中心节点焊接球为例，验证其设