玻璃頂梁結(jié)構(gòu)分析及應(yīng)用sap2000設(shè)計(jì)

1、頂梁結(jié)構(gòu)分析及應(yīng)用 SAP2000 設(shè)計(jì)、MIDAS 復(fù)核的實(shí)例：2011-09-28【作者】：【提要】：通過(guò)對(duì)頂梁結(jié)構(gòu)分析，應(yīng)用結(jié)構(gòu)分析軟件 SAP2000 進(jìn)行了各種工況下的分析、同時(shí)應(yīng)用 MIDAS 軟件對(duì)其計(jì)算進(jìn)行了復(fù)核，計(jì)算結(jié)果基本一致?！尽浚毫航Y(jié)構(gòu)、SAP2000、MIDAS1、概述本項(xiàng)目為梁結(jié)頂梁工程，跨度 24.6 米。eam String Structure，簡(jiǎn)稱 BSS）的概念由M·Saitoh 教授在20 世紀(jì) 80 年代初首先提出，它得名于“弦通過(guò)撐桿對(duì)”這一基本形式，是雜交空間結(jié)構(gòu)在大跨體系中的良好嘗試。梁結(jié)構(gòu)是由上弦剛性拱（或組合桁架）、撐桿以及下弦柔性索

2、組成的自平衡受力體系，其合理地將各種構(gòu)件（抗拉、抗壓、抗壓彎）組合在一起，充分發(fā)揮了其各自的材料力學(xué)性能，因而整系具有許多良好的受力性能。例如，弦的預(yù)應(yīng)力使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反撓度，故結(jié)構(gòu)在荷載作用下的最終撓度可以減小，從而提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。撐桿對(duì)抗彎受壓構(gòu)件提供彈性支撐，后者的受力性能。本設(shè)計(jì)采用目前應(yīng)用較為成結(jié)構(gòu)分析軟件 SAP2000 進(jìn)行了各種工況下的分析。根據(jù)相關(guān)規(guī)范驗(yàn)算了所有桿件在各種工況下的強(qiáng)度、穩(wěn)定及剛度等。同時(shí)應(yīng)用 MIDAS 軟件對(duì)其計(jì)算進(jìn)行了復(fù)核，計(jì)算結(jié)果基本一致。2、設(shè)計(jì)依據(jù)的規(guī)范及規(guī)程1） 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（CECS212-2006）2） 結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50001-2

3、001）（2006 年版）3） 抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2001）（2008 年版）4） 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017-2003）5） 鋼結(jié)構(gòu)焊接與驗(yàn)收規(guī)程（JGJ81-91）6） 鋼結(jié)構(gòu)工程施工與驗(yàn)收規(guī)范（GB50205-95）7） 鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)（GB50221-95）3、荷載計(jì)算1） 恒載荷載及其計(jì)算：17.5/1000×26=0.455kN/m2；遮陽(yáng)系統(tǒng)荷載：0.25 kN/m2； 檁條荷載：0.13 kN/m2；排煙窗系統(tǒng)荷載：0.2 kN/m2。總計(jì)：0.455+0.25+0.13+0.2=1.035kN/m2；2） 活載屋面：0.5 kN/m23）

4、屋面：本結(jié)構(gòu)為風(fēng)荷載敏感結(jié)構(gòu)，基本風(fēng)壓按百年一遇考慮，基本風(fēng)壓為 0.4面粗糙類別 B 類計(jì)算。豎向 T= S。kN/m2，地4）荷載：按 8 度（0.2g）抗震計(jì)算，類場(chǎng)地。0.65×0.16 的水平影響系數(shù)。5） 溫度荷載：本次設(shè)計(jì)對(duì)溫度荷載取室外溫度升高到 43時(shí)溫度工況，以及室外溫度降低-30 時(shí)溫度工況。6） 預(yù)應(yīng)力荷載：以施加溫度荷載的方式對(duì)下弦單元施加預(yù)應(yīng)力，對(duì)梁而言,保持下弦始終處于受拉狀態(tài)是結(jié)構(gòu)存在的必要條件。因此，對(duì)下弦拉桿所施加的預(yù)應(yīng)力應(yīng)保證在風(fēng)荷載最不利工況下下弦拉桿仍處于受拉狀態(tài)。4、荷載工況組合對(duì)于梁結(jié)構(gòu)，施工階段即施加預(yù)應(yīng)力和自重階段，其非線性較強(qiáng)，而在

5、其他荷載條件（如恒載、活載、等工況）下，若上弦梁剛度不是很小或者預(yù)加應(yīng)力不是很大時(shí)，一般認(rèn)為梁結(jié)構(gòu)非線性因素的以忽略。本設(shè)計(jì)中，對(duì) YT+ZD（自重加預(yù)應(yīng)力工況）進(jìn)行非線性分析，以該分析的終點(diǎn)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)其余工況（恒載、活載、風(fēng)載等）進(jìn)行線性分析。1）YT+ZD此工況為自重加預(yù)應(yīng)力工況，其中 YT 為預(yù)應(yīng)力荷載，ZD 為自重荷載。在施工過(guò)程中非線性較強(qiáng)，對(duì)其進(jìn)行非線性分析。分項(xiàng)系數(shù)均為 1.0。此工況在施工預(yù)拱階段，在各荷載施加時(shí)同時(shí)存在，分析時(shí)一并考慮。對(duì)梁結(jié)構(gòu)而言，保持始終處于受拉狀態(tài)是結(jié)構(gòu)存在的必要條件。對(duì)臺(tái)上進(jìn)行，在此階段，施加足夠的預(yù)應(yīng)力是一種有效的措施，但屋架的一般在

6、拼裝的預(yù)應(yīng)力在克服結(jié)構(gòu)自重后起拱并處于受狀態(tài)。2）YT+ZD+1.0D+0.5L此工況主要用于結(jié)構(gòu)施工完成后梁的最終位形，其中 D 為恒荷載，L 為活荷載。由于計(jì)算的活載較為保守，對(duì)其乘以 0.5 來(lái)計(jì)算3）D+L梁的最終位形。此工況主要用于梁結(jié)構(gòu)的撓度，其中 D 為恒荷載，L 為活荷載。4）1.2D+1.4L+1.0（-TEMP）+1.32（YT+ZD）此工況為梁豎向最大受力工況，其中，D 為恒荷載，L 為活荷載，-TEMP 為室外溫度降低到-30時(shí)溫度荷載，YT+ZD 為自重加預(yù)應(yīng)力工況。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（CECS212-2006）3.2.1 節(jié)可知，預(yù)應(yīng)力分項(xiàng)系數(shù)pi 對(duì)結(jié)構(gòu)有利1.

7、0，不利1.2。而系數(shù)T 由 3.2.2 節(jié)可知，當(dāng)桿件的荷載應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力符號(hào)相同，或符號(hào)相反但桿件的預(yù)應(yīng)力值大于應(yīng)力值時(shí)，反時(shí)，系數(shù)T 取 0.9。系數(shù)T 取 1.1；當(dāng)桿件荷載應(yīng)力值大于預(yù)應(yīng)力值且符號(hào)相對(duì)于此工況，YT+ZD 工況分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)取 1.2×1.1=1.32。以考慮此預(yù)應(yīng)力工況對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響。-TEMP 工況下桿件受拉，因此考慮其的不利影響。5）0.6D+1.4W+1.0（+TEMP）+0.9（YT+ZD）此工況為風(fēng)吸力工況，其中，D 為恒荷載，W 為風(fēng)荷載，+TEMP 為室外溫度升高到 40時(shí)溫度荷載，YT+ZD 為自重加預(yù)應(yīng)力工況。梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須考慮風(fēng)吸力作用下

8、的穩(wěn)定問(wèn)題。當(dāng)風(fēng)吸力大于屋蓋結(jié)構(gòu)自重時(shí)，松弛而工作，結(jié)構(gòu)整體失效。對(duì)梁結(jié)構(gòu)而言，保持始終處于受拉狀態(tài)是結(jié)構(gòu)存在的必要條件。在風(fēng)吸力作用下，恒載屬于有利荷載，對(duì)其取分項(xiàng)系數(shù) 0.6 進(jìn)行折減；另外，活載也是有利荷載，該工況不予考慮；風(fēng)荷載為不利荷載，分項(xiàng)系數(shù)取 1.4；+TEMP 下結(jié)構(gòu)受壓， 考慮其不利影響；對(duì)于 YT+ZD 工況，根據(jù)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（CECS212-2006）3.2.1 節(jié)及 3.2.2 節(jié)可知，預(yù)應(yīng)力分項(xiàng)系數(shù)pi 對(duì)結(jié)構(gòu)有利且當(dāng)桿件荷載應(yīng)力值大于預(yù)應(yīng)力值且符號(hào)相反；因此 YT+ZD 工況分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)取 1.0×0.9=0.9。設(shè)計(jì)對(duì)預(yù)應(yīng)力的施加應(yīng)保證在該工況下

9、下弦仍處于受拉狀態(tài)。6）1.2D+0.6L+1.0（+TEMP）+1.3EQZ+1.32（YT+ZD）此工況主要考慮豎向?qū)Y(jié)構(gòu)的影響，其中，D 為恒荷載，L 為活荷載，+TEMP 為室外溫度升高到 43時(shí)溫度荷載，EQZ 為荷載，YT+ZD 為自重加預(yù)應(yīng)力工況。7）1.2D+0.6L+1.0（-TEMP）+1.3EQZ+0.9（YT+ZD）此工況主要考慮豎向?qū)Y(jié)構(gòu)的影響，需保證結(jié)構(gòu)在此工況下下弦桿仍處于受拉狀態(tài)。其中，D 為恒荷載，L 為活荷載，-TEMP 為室外溫度降低到-30時(shí)溫度荷載，EQZ 為荷載，YT+ZD 為自重加預(yù)應(yīng)力工況。8）1.2halfdead+1.4halflive+1.

10、0（-TEMP）+1.32（YT+ZD）此工況主要考慮半跨荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，其中，halfdead 為半跨恒荷載， halflive 為半跨活荷載，-TEMP 為室外溫度降低到-30時(shí)溫度荷載， YT+ZD 為自重加預(yù)應(yīng)力工況。5、結(jié)構(gòu)分析模型目前不同的研究對(duì)梁結(jié)構(gòu)提出了不同的力學(xué)模型，總的來(lái)說(shuō)有 2 種：將撐桿連續(xù)化，將整個(gè)結(jié)構(gòu)看作是特殊的魚(yú)腹梁；將梁（拱）離散成若干單元，用有限元方法進(jìn)行分析。對(duì)梁結(jié)構(gòu)提出如下假設(shè)：材料符合虎克定律；拱梁與索之間的撐桿是連續(xù)分布的，即把拱梁與索之間的離散力簡(jiǎn)化為連續(xù)分布的作用力，并假定這些連續(xù)撐桿為剛性，不考慮其軸向變形；曲梁的曲率半徑與截面高度之比 R

11、/h5，符合小曲率構(gòu)件假設(shè)；僅考慮小垂度和豎向荷載作用。因梁結(jié)構(gòu)中的索通常屬于只拉不壓型非線性單元，因此計(jì)算時(shí)需考慮幾何大變形這一非線性因素?；谏鲜黾僭O(shè)，考慮幾何非線性的列出以下平衡方程：聯(lián)立以上各式，結(jié)合邊界條件即可求解。梁結(jié)構(gòu)在施加預(yù)應(yīng)力階段和使用荷載階段的計(jì)算均可采用以上各式，該法很好地體現(xiàn)了梁結(jié)構(gòu)的受力特性，采用的理論比較完善，基本假設(shè)與實(shí)際相符。但由于考慮幾何非線性，采用理論公式計(jì)算解并不現(xiàn)實(shí)，需借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用數(shù)值方法解決。目前已能非常方便地解決相關(guān)問(wèn)題，并在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。采用有限元法建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型可將梁結(jié)構(gòu)離散化為梁?jiǎn)卧?、索單元和桿單元。對(duì)直接采用曲線形式，或?qū)?/p>

12、梁?jiǎn)卧本€化，采用多段直線單元形式；對(duì)撐桿可采用二力桿單元；對(duì)下弦索考慮其幾何非線性，需建立單元?jiǎng)偠染仃嚭驼w剛度矩陣，通過(guò)數(shù)值方法求解。6、結(jié)構(gòu)模型與振型本結(jié)構(gòu)采用目前應(yīng)用較為成對(duì)其計(jì)算進(jìn)行了復(fù)核。1）結(jié)構(gòu)整體模型結(jié)構(gòu)分析軟件 SAP2000 設(shè)計(jì)。同時(shí)應(yīng)用 MIDAS 軟件2）結(jié)構(gòu)振型內(nèi)力分析與結(jié)構(gòu)位移：（各工況內(nèi)力、變形及結(jié)構(gòu)應(yīng)力比）1）桿件截面所有桿件均采用 Q345B 級(jí)鋼材，其中，上弦桿截面為 300×200×16×20 矩形管，撐桿截面為87×7，下弦截面為40 不銹鋼拉桿（彈性模量 E=1.9×105 2）各荷載工況下內(nèi)力、變形

13、a、預(yù)應(yīng)力荷載N/mm2）。b、恒載c、活載d、e、豎向荷載f、+TEMP 荷載g、-TEMP 荷載h、半跨恒荷載i、半跨活荷載2）各荷載組合下內(nèi)力、變形a、ZD+YTb、YT+ZD+1.0D+0.5Lc、D+Ld、1.2D+1.4L+1.0（-TEMP）+1.32（YT+ZD）e、0.6D+1.4W+1.0（+TEMP）+0.9（YT+ZD）f、1.2D+0.6L+1.0（-TEMP）+1.3EQZ+0.9（YT+ZD）g、1.2halfdead+1.4halflive+1.03）桿件的應(yīng)力比桿件應(yīng)力比在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于上弦截面，平面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度取為撐桿間或撐桿到支座的間距，平面外計(jì)算長(zhǎng)度按桿

14、間距取為 3 米，最大應(yīng)力出現(xiàn)在撐桿附近，最大應(yīng)力比為 0.86；對(duì)于下弦拉桿，最大應(yīng)力比為 0.345；兩撐桿應(yīng)力比為 0.363。8、撐桿的平面外穩(wěn)定在梁的分析中，撐桿上下兩端均按鉸接來(lái)考慮。當(dāng)撐桿所受軸力較大時(shí)，撐桿似乎會(huì)出現(xiàn)繞上端支點(diǎn)出平面的失穩(wěn)，然而，絕大部分情況下結(jié)構(gòu)是一個(gè)自平衡的穩(wěn)定體系，一般出現(xiàn)撐桿平面外的失穩(wěn)，下面以一簡(jiǎn)單的單撐桿梁模型進(jìn)行說(shuō)：9、計(jì)算校核為了保證計(jì)算的正確性，用 SAP2000 計(jì)算完成后，用 MIDAS 軟件對(duì)其位形以及桿件內(nèi)力進(jìn)行了校核，計(jì)算中桿件截面、荷載取值相同，兩種軟件典型工況下對(duì)比如下所示。a、ZD+YTb、YT+ZD+1.0D+0.5Lc、D+Ld、1.2D+1.4L+1.0（-TEMP）+1.32（YT+ZD）根據(jù)以上的對(duì)比可知，兩種軟件計(jì)算在典型工況下的位移及內(nèi)力相差較小，由此可知，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果是合理的。參 考12345文獻(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)北京：中國(guó)工業(yè)，2008，sap2000 結(jié)構(gòu)工程分析及實(shí)例詳解，半剛性連接鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)北