空間結(jié)構(gòu)提高班課件

空間結(jié)構(gòu)提高班

1公開課空間結(jié)構(gòu)提高班2內(nèi)容一、空間異型結(jié)構(gòu)的發(fā)展二、有限元法簡介三、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理四、空間異型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般過程五、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)介紹六、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)七、工程設(shè)計(jì)實(shí)例空間結(jié)構(gòu)提高班3一、空間異型結(jié)構(gòu)的發(fā)展主要由于現(xiàn)代技術(shù)的支撐和新型材料涌現(xiàn)。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和功能要求的提高，社會(huì)需求的變化，從傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展到大空間結(jié)構(gòu)，乃至預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)。自從有限元法誕生以來，力學(xué)的解的方法有了革命性的突破，加之電子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展，解決了計(jì)算速度問題。力學(xué)理論在復(fù)雜大跨工程中的實(shí)踐應(yīng)用才有可能。

空間結(jié)構(gòu)提高班6一、空間異型結(jié)構(gòu)的發(fā)展主要由于現(xiàn)代技術(shù)的支撐和新型材料涌現(xiàn)。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和功能要求的提高，社會(huì)需求的變化，從傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展到大空間結(jié)構(gòu)，乃至預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)。自從有限元法誕生以來，力學(xué)的解的方法有了革命性的突破，加之電子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展，解決了計(jì)算速度問題。力學(xué)理論在復(fù)雜大跨工程中的實(shí)踐應(yīng)用才有可能。

空間結(jié)構(gòu)提高班13一、空間異型結(jié)構(gòu)的發(fā)展主要由于現(xiàn)代技術(shù)的支撐和新型材料涌現(xiàn)。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和功能要求的提高，社會(huì)需求的變化，從傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展到大空間結(jié)構(gòu)，乃至預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)。自從有限元法誕生以來，力學(xué)的解的方法有了革命性的突破，加之電子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展，解決了計(jì)算速度問題。力學(xué)理論在復(fù)雜大跨工程中的實(shí)踐應(yīng)用才有可能。

空間結(jié)構(gòu)提高班4二、有限單元法簡介

近代力學(xué)的基本理論和基本方程在上世紀(jì)末就已基本完備了，后來的力學(xué)家大多致力于尋求各種具體問題的解。由于許多問題相當(dāng)復(fù)雜，很難獲得解析解，用數(shù)值方法求解也遇到計(jì)算工作量過于龐大難題，通常只能通過各種假設(shè)把問題簡化到可以處理的程度，以得到某種近似解答。

1960年克拉夫首先提出了有限元法，把連續(xù)體力學(xué)問題作離散化的力學(xué)模型，開拓了寬廣途徑?？臻g結(jié)構(gòu)提高班20

有限元法的物理實(shí)質(zhì)是：把一個(gè)連續(xù)體近似地用有限個(gè)在節(jié)點(diǎn)處相連的單元組成的單元組合來分析問題。有限元是在結(jié)構(gòu)分析的矩陣位移法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，有限元與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，可以編制通用軟件，在國外各種大型的有限元分析程序系統(tǒng)源源不斷地產(chǎn)生出來。大型通用程序一般包括結(jié)構(gòu)靜力分析、動(dòng)力分析、穩(wěn)定性及非線性分析等。有了離散化的計(jì)算機(jī)模型，就可以用矩陣位移法求解。結(jié)構(gòu)劃分單元時(shí)，均勻網(wǎng)購是不合理的，應(yīng)該在應(yīng)力打的部位加密網(wǎng)格而在應(yīng)力小的部位網(wǎng)格可以稀疏一些。空間結(jié)構(gòu)提高班21

有限元法概念淺顯，容易掌握。采用矩陣形式表達(dá)，便于編制計(jì)算機(jī)程序，可以利用高速電子計(jì)算機(jī)提供的方便，使龐大繁雜的計(jì)算工作能在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。在有限元法提出之前，固體力學(xué)中的大多數(shù)解析方法限于各向同性材料以及均質(zhì)材料，有了有限元法之后，這些限制不再存在。空間結(jié)構(gòu)提高班22三、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理

大跨度空間結(jié)構(gòu)體系，主要分析動(dòng)力荷載的響應(yīng)。風(fēng)工程和地震作用。應(yīng)該基本了解單自由度體振動(dòng)，這是多自由度體系動(dòng)力分析的基礎(chǔ)，從而學(xué)習(xí)分析更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。幾個(gè)基本概念：

1、地震作用：非直接作用于結(jié)構(gòu)，而是地震時(shí)地基運(yùn)動(dòng)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生“慣性力”。

2、慣性力：質(zhì)量與加速度的乘積，方向與加速度方向相反。因此計(jì)算結(jié)構(gòu)地震作用響應(yīng)時(shí)需確定結(jié)構(gòu)質(zhì)量和因地震而引起的結(jié)構(gòu)加速度值。

空間結(jié)構(gòu)提高班233、阻尼比：只能實(shí)測得到，阻尼比設(shè)置的大小對于結(jié)構(gòu)的影響非常關(guān)鍵。臨界阻尼：在臨界阻尼下結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。只有當(dāng)結(jié)構(gòu)阻尼小于臨界阻尼時(shí)才振動(dòng)。

4、振型：結(jié)構(gòu)按某階自振頻率振動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)各自由度變化的比例關(guān)系。

5、模態(tài)分析：求解結(jié)構(gòu)體系的自振頻率和振型。頻率和周期描述振動(dòng)的快慢，而振型描述振動(dòng)的空間關(guān)系。因高階振型起作用小，而低階振型作用大。所以在分析中忽略高階振興，僅取前有限項(xiàng)振型，就可得到精確結(jié)果。6、振型組合：根據(jù)振型分布疏密，選用組合方法?？臻g結(jié)構(gòu)提高班24

振型分解反應(yīng)譜法：多自由度體系分析，與單自由度體系相比，新的內(nèi)容出現(xiàn)了振型這一概念。各自由度變化的比例關(guān)系是結(jié)果的重要關(guān)系特征，而一階振型又是所有振型中最易出現(xiàn)的。根據(jù)振型分解原理，將n多質(zhì)點(diǎn)體系復(fù)雜結(jié)構(gòu)振動(dòng)分解n個(gè)獨(dú)立的等效單自由度體系的振動(dòng)。利用反應(yīng)譜首先求出前有限個(gè)振型的最大地震反應(yīng)，然后按照一定的組合方法，求出地震的總反應(yīng)。這一分析方法比較簡便，也可保證大多結(jié)構(gòu)的抗震強(qiáng)度和變形。但其方法屬于估算和近似法，只限于彈性范圍內(nèi)分析，因此具有局限性。至于要了解地震過程中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移隨時(shí)間的反應(yīng)，要應(yīng)用另一時(shí)程分析方法。

反應(yīng)譜法：單自由度體系擬靜力理論求響應(yīng)空間結(jié)構(gòu)提高班25

振型組合問題：用反應(yīng)譜法做地震響應(yīng)分析時(shí)，因?yàn)檎裥偷卣鹱饔庙憫?yīng)不是同時(shí)刻達(dá)到最大值，因此內(nèi)力等響應(yīng)存在組合問題。不同動(dòng)力特性的結(jié)構(gòu)可采用不同的組合方法，工程抗震設(shè)計(jì)中采用SRSS和CQC等法。

SRSS組合法：當(dāng)振動(dòng)頻率稀疏時(shí)，組合最大振型反應(yīng)的平方和開放方法，基本上可靠。

該方法假定各振型反應(yīng)之間是相互獨(dú)立的，因而僅適于自振相隔較遠(yuǎn)的情況。

CQC組合法：完全二次型，由威爾遜與1981年提出，是一種較為精確的振型組合方法。考慮了相鄰振型間的交叉影響。此外，還有絕對值組合法，假設(shè)條件是所有振型的最大模態(tài)值都發(fā)生在相同時(shí)間點(diǎn)上。是最保守方法。空間結(jié)構(gòu)提高班26必須謹(jǐn)慎使用動(dòng)力分析反應(yīng)譜法。應(yīng)該使用CQC方法來組合模態(tài)最大值，從而使可避免的引入誤差最小化。CQC方法有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，并一直為大多數(shù)地震工程專家所接受。結(jié)構(gòu)在每一個(gè)自振頻率下，都有其特定的振動(dòng)形態(tài)即振型。由于荷載作用原因，結(jié)構(gòu)很多自振頻率不會(huì)被激起，相應(yīng)的振動(dòng)形態(tài)將不會(huì)對結(jié)構(gòu)的反應(yīng)有所貢獻(xiàn)。通常結(jié)構(gòu)的高階頻率是不參與結(jié)構(gòu)的反應(yīng)中的，這也因另一原因即高階振型阻尼大與低階振型阻尼，使其快速衰減。因此結(jié)構(gòu)分析時(shí)不需要計(jì)算所有自振頻率和振型。對于頻率稀疏型結(jié)構(gòu)，只需前三、四階，即使頻譜密集型結(jié)構(gòu)，一般也只需考慮20各左右頻率和振型即可。忽略高階小量，可以計(jì)算機(jī)大量計(jì)算而節(jié)省不必要時(shí)間。空間結(jié)構(gòu)提高班27作用于結(jié)構(gòu)上的風(fēng)分為穩(wěn)定風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)穩(wěn)定風(fēng)是一種速度、方向基本上不隨時(shí)間變化的風(fēng)，其周期較長，大小10min以上，性質(zhì)相當(dāng)于靜力作用；脈動(dòng)風(fēng)則是不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的風(fēng)，其強(qiáng)度常按隨機(jī)規(guī)律而變化，其周期較短，性質(zhì)相當(dāng)于動(dòng)力作用，對結(jié)構(gòu)會(huì)引起風(fēng)振作用。風(fēng)引起對結(jié)構(gòu)作用的風(fēng)荷載，是大跨度空間結(jié)構(gòu)的重要設(shè)計(jì)荷載。隨著屋蓋結(jié)構(gòu)的跨度越拉越大，屋蓋覆蓋材料越來越輕，導(dǎo)致了此類結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載非常敏感，是設(shè)計(jì)計(jì)算中必不可少的部分?？臻g結(jié)構(gòu)提高班28四、空間異型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程

一般過程是：結(jié)果選型和布置——設(shè)定參數(shù)——結(jié)果分析——強(qiáng)度和剛度校核——重分析——節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)結(jié)果設(shè)計(jì)得“好與不好”主要取決于第一階段，考慮力的傳遞路徑、體系選擇、幾何屬性、材料選擇等。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中絕大部分精力是思考結(jié)構(gòu)的力學(xué)性狀、判斷結(jié)構(gòu)的可行性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和可操作性。只有在此基礎(chǔ)上，才做構(gòu)件截面選擇和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)具有承載能力，指具有強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)破壞即斷裂、屈服和失穩(wěn)。結(jié)構(gòu)控制：提高結(jié)構(gòu)的承載能力，或降低對荷載的反應(yīng)。設(shè)計(jì)策略：把一個(gè)復(fù)雜荷載狀態(tài)下的復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成一個(gè)傳力明了的結(jié)構(gòu)。也即“簡單化”。

空間結(jié)構(gòu)提高班29

盡可能減少彎曲，沿桿件軸向傳遞荷載，通過剛度設(shè)計(jì)減少因地震、風(fēng)、溫等產(chǎn)生的效應(yīng)。結(jié)構(gòu)可從預(yù)應(yīng)力中獲取剛度，同時(shí)又不增加質(zhì)量。結(jié)構(gòu)的性狀：結(jié)構(gòu)在外力作用下的響應(yīng)規(guī)律。影響結(jié)構(gòu)性狀因素：幾何形狀、邊界條件、荷載類型。結(jié)構(gòu)響應(yīng)：結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力結(jié)構(gòu)分析要求選擇合理的計(jì)算簡圖、分析模型，確定邊界條件和荷載。調(diào)整截面規(guī)格，反復(fù)分析，最后確定截面。如果重分析仍未達(dá)到合理結(jié)果，需回頭重新布置甚至選型。

空間結(jié)構(gòu)提高班30五、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)

預(yù)應(yīng)力的作用實(shí)質(zhì)上是挖掘材料的彈性強(qiáng)度潛力，在傳統(tǒng)空間中采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)就更有意義。通過適當(dāng)配置拉索，使結(jié)構(gòu)獲得新的中間彈性支點(diǎn)，或結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與外荷載相反的內(nèi)力和撓度而卸載。這類結(jié)構(gòu)體系改善了原結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，降低了內(nèi)力峰值，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)剛度。技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果明顯提高。大跨度空間結(jié)構(gòu)中引入現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力技術(shù)，不僅使結(jié)構(gòu)體系更豐富，且也使其先進(jìn)性、合理性、經(jīng)濟(jì)性得到充分發(fā)展。預(yù)應(yīng)力的機(jī)理是利用材料彈性強(qiáng)度幅值的重復(fù)使用、內(nèi)力的轉(zhuǎn)移來提高結(jié)構(gòu)整體和桿件本身的承載能力和剛度。如將受拉力很大的下弦換成強(qiáng)度很高的索，使桁架變成了“張弦梁”?？臻g結(jié)構(gòu)提高班31

力的轉(zhuǎn)移：施加預(yù)應(yīng)力過程中，可以將部分由普通鋼材桿件承擔(dān)的內(nèi)力轉(zhuǎn)移到高強(qiáng)材料桿件中去，因而實(shí)現(xiàn)充分利用高強(qiáng)材料的強(qiáng)度幅值，擴(kuò)大高強(qiáng)材料應(yīng)用范圍，降低結(jié)構(gòu)自重及經(jīng)濟(jì)成本。

空間結(jié)構(gòu)提高班32六、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則

離散的桿件通過節(jié)點(diǎn)集成為一個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。同時(shí)傳力。節(jié)點(diǎn)連接方式：螺栓連接和焊接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)傳力明確，構(gòu)造簡單。節(jié)點(diǎn)對桿件的約束必須符合力學(xué)分析模型的假設(shè)。隔震支座設(shè)計(jì)：最常見橡膠支座，隔震層具有很小側(cè)向剛度，從而延長了結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期，使結(jié)構(gòu)水平地震加速度降低。設(shè)計(jì)前提要滿足節(jié)點(diǎn)豎向承載能力，橡膠層厚度滿足節(jié)點(diǎn)水平位移與橡膠極限剪切角關(guān)系。

空間結(jié)構(gòu)提高班33七、設(shè)計(jì)實(shí)例

某體育館寬36m，長度柱距9米，柱頂標(biāo)高16.2米。基本風(fēng)壓0.45，基本雪壓0.45，地面粗糙度B類，抗震設(shè)防烈度7度（0.15），設(shè)計(jì)地震分組：第一組，場地土類。屋面恒荷載0.35、設(shè)備吊掛0.55

屋面初步選型梯形桁架，上弦找坡。桁架斷面采用倒三角形。倒三角與正三角比較…?？缍?6m，桁架截面高度，端高1.0m、跨中高2.2米，坡度6.7%，高跨比約1/16倒三角截面。弦、腹桿選用圓鋼管，材質(zhì)Q235B?！臻g結(jié)構(gòu)提高班35荷載組合：一、無地震作用1、永久荷載控制：com1：1.35D+0.7*1.4L2、可變荷載控制：com2：1.2D+1.4L

com3：1.2D+1.4L+0.6*1.4W（雪荷為主）

com4：1.2D+0.7*1.4L+1.4W（風(fēng)荷為主）3、恒荷載有利：com5:1.0D+1.4L+0.6*1.4Wcom6:1.0D+0.7