空间结构提高班课件

空间结构提高班

1公开课空间结构提高班2内容一、空间异型结构的发展二、有限元法简介三、结构动力学原理四、空间异型结构设计的一般过程五、预应力钢结构介绍六、节点构造设计七、工程设计实例空间结构提高班3一、空间异型结构的发展主要由于现代技术的支撑和新型材料涌现。随着经济发展和功能要求的提高，社会需求的变化，从传统结构发展到大空间结构，乃至预应力钢结构。自从有限元法诞生以来，力学的解的方法有了革命性的突破，加之电子计算机的产生和发展，解决了计算速度问题。力学理论在复杂大跨工程中的实践应用才有可能。

空间结构提高班6一、空间异型结构的发展主要由于现代技术的支撑和新型材料涌现。随着经济发展和功能要求的提高，社会需求的变化，从传统结构发展到大空间结构，乃至预应力钢结构。自从有限元法诞生以来，力学的解的方法有了革命性的突破，加之电子计算机的产生和发展，解决了计算速度问题。力学理论在复杂大跨工程中的实践应用才有可能。

空间结构提高班13一、空间异型结构的发展主要由于现代技术的支撑和新型材料涌现。随着经济发展和功能要求的提高，社会需求的变化，从传统结构发展到大空间结构，乃至预应力钢结构。自从有限元法诞生以来，力学的解的方法有了革命性的突破，加之电子计算机的产生和发展，解决了计算速度问题。力学理论在复杂大跨工程中的实践应用才有可能。

空间结构提高班4二、有限单元法简介

近代力学的基本理论和基本方程在上世纪末就已基本完备了，后来的力学家大多致力于寻求各种具体问题的解。由于许多问题相当复杂，很难获得解析解，用数值方法求解也遇到计算工作量过于庞大难题，通常只能通过各种假设把问题简化到可以处理的程度，以得到某种近似解答。

1960年克拉夫首先提出了有限元法，把连续体力学问题作离散化的力学模型，开拓了宽广途径。空间结构提高班20

有限元法的物理实质是：把一个连续体近似地用有限个在节点处相连的单元组成的单元组合来分析问题。有限元是在结构分析的矩阵位移法基础上发展起来的，有限元与计算机相结合，可以编制通用软件，在国外各种大型的有限元分析程序系统源源不断地产生出来。大型通用程序一般包括结构静力分析、动力分析、稳定性及非线性分析等。有了离散化的计算机模型，就可以用矩阵位移法求解。结构划分单元时，均匀网购是不合理的，应该在应力打的部位加密网格而在应力小的部位网格可以稀疏一些。空间结构提高班21

有限元法概念浅显，容易掌握。采用矩阵形式表达，便于编制计算机程序，可以利用高速电子计算机提供的方便，使庞大繁杂的计算工作能在计算机上实现。在有限元法提出之前，固体力学中的大多数解析方法限于各向同性材料以及均质材料，有了有限元法之后，这些限制不再存在。空间结构提高班22三、结构动力学原理

大跨度空间结构体系，主要分析动力荷载的响应。风工程和地震作用。应该基本了解单自由度体振动，这是多自由度体系动力分析的基础，从而学习分析更复杂的结构。几个基本概念：

1、地震作用：非直接作用于结构，而是地震时地基运动使结构产生“惯性力”。

2、惯性力：质量与加速度的乘积，方向与加速度方向相反。因此计算结构地震作用响应时需确定结构质量和因地震而引起的结构加速度值。

空间结构提高班233、阻尼比：只能实测得到，阻尼比设置的大小对于结构的影响非常关键。临界阻尼：在临界阻尼下结构不出现往复运动。只有当结构阻尼小于临界阻尼时才振动。

4、振型：结构按某阶自振频率振动时，结构各自由度变化的比例关系。

5、模态分析：求解结构体系的自振频率和振型。频率和周期描述振动的快慢，而振型描述振动的空间关系。因高阶振型起作用小，而低阶振型作用大。所以在分析中忽略高阶振兴，仅取前有限项振型，就可得到精确结果。6、振型组合：根据振型分布疏密，选用组合方法。空间结构提高班24

振型分解反应谱法：多自由度体系分析，与单自由度体系相比，新的内容出现了振型这一概念。各自由度变化的比例关系是结果的重要关系特征，而一阶振型又是所有振型中最易出现的。根据振型分解原理，将n多质点体系复杂结构振动分解n个独立的等效单自由度体系的振动。利用反应谱首先求出前有限个振型的最大地震反应，然后按照一定的组合方法，求出地震的总反应。这一分析方法比较简便，也可保证大多结构的抗震强度和变形。但其方法属于估算和近似法，只限于弹性范围内分析，因此具有局限性。至于要了解地震过程中结构的内力和位移随时间的反应，要应用另一时程分析方法。

反应谱法：单自由度体系拟静力理论求响应空间结构提高班25

振型组合问题：用反应谱法做地震响应分析时，因为振型地震作用响应不是同时刻达到最大值，因此内力等响应存在组合问题。不同动力特性的结构可采用不同的组合方法，工程抗震设计中采用SRSS和CQC等法。

SRSS组合法：当振动频率稀疏时，组合最大振型反应的平方和开放方法，基本上可靠。

该方法假定各振型反应之间是相互独立的，因而仅适于自振相隔较远的情况。

CQC组合法：完全二次型，由威尔逊与1981年提出，是一种较为精确的振型组合方法。考虑了相邻振型间的交叉影响。此外，还有绝对值组合法，假设条件是所有振型的最大模态值都发生在相同时间点上。是最保守方法。空间结构提高班26必须谨慎使用动力分析反应谱法。应该使用CQC方法来组合模态最大值，从而使可避免的引入误差最小化。CQC方法有坚实的理论基础，并一直为大多数地震工程专家所接受。结构在每一个自振频率下，都有其特定的振动形态即振型。由于荷载作用原因，结构很多自振频率不会被激起，相应的振动形态将不会对结构的反应有所贡献。通常结构的高阶频率是不参与结构的反应中的，这也因另一原因即高阶振型阻尼大与低阶振型阻尼，使其快速衰减。因此结构分析时不需要计算所有自振频率和振型。对于频率稀疏型结构，只需前三、四阶，即使频谱密集型结构，一般也只需考虑20各左右频率和振型即可。忽略高阶小量，可以计算机大量计算而节省不必要时间。空间结构提高班27作用于结构上的风分为稳定风和脉动风稳定风是一种速度、方向基本上不随时间变化的风，其周期较长，大小10min以上，性质相当于静力作用；脉动风则是不规则运动的风，其强度常按随机规律而变化，其周期较短，性质相当于动力作用，对结构会引起风振作用。风引起对结构作用的风荷载，是大跨度空间结构的重要设计荷载。随着屋盖结构的跨度越拉越大，屋盖覆盖材料越来越轻，导致了此类结构对风荷载非常敏感，是设计计算中必不可少的部分。空间结构提高班28四、空间异型结构设计过程

一般过程是：结果选型和布置——设定参数——结果分析——强度和刚度校核——重分析——节点构造设计结果设计得“好与不好”主要取决于第一阶段，考虑力的传递路径、体系选择、几何属性、材料选择等。在结构设计过程中绝大部分精力是思考结构的力学性状、判断结构的可行性、可靠性、经济性和可操作性。只有在此基础上，才做构件截面选择和节点设计。

结构具有承载能力，指具有强度、刚度和稳定性，对应的结构破坏即断裂、屈服和失稳。结构控制：提高结构的承载能力，或降低对荷载的反应。设计策略：把一个复杂荷载状态下的复杂结构设计成一个传力明了的结构。也即“简单化”。

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尽可能减少弯曲，沿杆件轴向传递荷载，通过刚度设计减少因地震、风、温等产生的效应。结构可从预应力中获取刚度，同时又不增加质量。结构的性状：结构在外力作用下的响应规律。影响结构性状因素：几何形状、边界条件、荷载类型。结构响应：结构的位移和内力结构分析要求选择合理的计算简图、分析模型，确定边界条件和荷载。调整截面规格，反复分析，最后确定截面。如果重分析仍未达到合理结果，需回头重新布置甚至选型。

空间结构提高班30五、预应力钢结构

预应力的作用实质上是挖掘材料的弹性强度潜力，在传统空间中采用预应力技术就更有意义。通过适当配置拉索，使结构获得新的中间弹性支点，或结构产生与外荷载相反的内力和挠度而卸载。这类结构体系改善了原结构受力状态，降低了内力峰值，增强了结构刚度。技术经济效果明显提高。大跨度空间结构中引入现代预应力技术，不仅使结构体系更丰富，且也使其先进性、合理性、经济性得到充分发展。预应力的机理是利用材料弹性强度幅值的重复使用、内力的转移来提高结构整体和杆件本身的承载能力和刚度。如将受拉力很大的下弦换成强度很高的索，使桁架变成了“张弦梁”。空间结构提高班31

力的转移：施加预应力过程中，可以将部分由普通钢材杆件承担的内力转移到高强材料杆件中去，因而实现充分利用高强材料的强度幅值，扩大高强材料应用范围，降低结构自重及经济成本。

空间结构提高班32六、节点设计原则

离散的杆件通过节点集成为一个结构系统。同时传力。节点连接方式：螺栓连接和焊接节点设计应传力明确，构造简单。节点对杆件的约束必须符合力学分析模型的假设。隔震支座设计：最常见橡胶支座，隔震层具有很小侧向刚度，从而延长了结构振动周期，使结构水平地震加速度降低。设计前提要满足节点竖向承载能力，橡胶层厚度满足节点水平位移与橡胶极限剪切角关系。

空间结构提高班33七、设计实例

某体育馆宽36m，长度柱距9米，柱顶标高16.2米。基本风压0.45，基本雪压0.45，地面粗糙度B类，抗震设防烈度7度（0.15），设计地震分组：第一组，场地土类。屋面恒荷载0.35、设备吊挂0.55

屋面初步选型梯形桁架，上弦找坡。桁架断面采用倒三角形。倒三角与正三角比较…。跨度36m，桁架截面高度，端高1.0m、跨中高2.2米，坡度6.7%，高跨比约1/16倒三角截面。弦、腹杆选用圆钢管，材质Q235B。‘空间结构提高班35荷载组合：一、无地震作用1、永久荷载控制：com1：1.35D+0.7*1.4L2、可变荷载控制：com2：1.2D+1.4L

com3：1.2D+1.4L+0.6*1.4W（雪荷为主）

com4：1.2D+0.7*1.4L+1.4W（风荷为主）3、恒荷载有利：com5:1.0D+1.4L+0.6*1.4Wcom6:1.0D+0.7