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鋼結(jié)構(gòu) | 復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計探討

廣東建筑工業(yè)化展 2018-01-22 1333

前言

近年來，隨著大眾對建筑外形審美的不斷提高，形狀怪異的復(fù)雜空間建筑結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，而鋼結(jié)構(gòu)以其良好的受力性能被廣泛的應(yīng)用于此類結(jié)構(gòu)中。復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)對結(jié)構(gòu)工程師提出了更高的要求，如何對該類型結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化、建模、分析、設(shè)計以及出圖是我們急需解決的問題。本文通過已有的工程經(jīng)驗，并結(jié)合審圖單位、施工單位的寶貴意見，對復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計全過程進(jìn)行探討，總結(jié)了部分分析與設(shè)計方法，可供此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。

空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)概述

空間結(jié)構(gòu)是相對于具有較為明顯層概念的結(jié)構(gòu)而提出的，這類結(jié)構(gòu)無法用簡單的平面、立面、剖面表示其結(jié)構(gòu)施工圖?？臻g復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)件呈三向受力狀態(tài)，且一般跨度大、形式復(fù)雜，它采用特殊結(jié)構(gòu)解決傳統(tǒng)的梁、柱構(gòu)件受力的問題。

常見結(jié)構(gòu)類型有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)、管桁架結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)等類型。空間結(jié)構(gòu)能適應(yīng)不同跨度、不同支承條件的各種建筑要求；形狀上也能適應(yīng)正方形、矩形、多邊形、圓形、扇形、三角形以及由此組合而成的各種形狀的建筑平面、立面；同時，該類建筑造型輕巧、外形美觀，主要用于車站、飛機(jī)場、體育館等大型公共建筑。

▲ 復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)典型實例

建模過程

復(fù)雜空間建筑結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)介入之前，建筑通常會有三維的SU模型或者犀牛模型配合建筑的平立剖面圖作為項目的表達(dá)。而結(jié)構(gòu)建模時，依據(jù)其三維模型來布置空間桿件，考慮到后期模型和出圖的準(zhǔn)確性，需要建筑給出較為精確的三維模型，同時需要給出結(jié)構(gòu)中心線組成三維表面。下面以某售樓中心為例介紹復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的建模、分析和出圖過程。首先預(yù)估幕墻的厚度，將建筑外皮整體內(nèi)偏300mm即為結(jié)構(gòu)中心線表皮（預(yù)估結(jié)構(gòu)管件大小在∅200左右）。

將此SU模型導(dǎo)出到DXF，通過CAD打開后進(jìn)行線框模型的建立。

將此SU模型導(dǎo)出到DXF時應(yīng)注意以下幾個方面：

1）導(dǎo)出dxf模型時應(yīng)附加建筑外表皮以及內(nèi)表皮，以確定屋蓋結(jié)構(gòu)模型不與主體結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，且不超出建筑外立面；

2）dxf模型應(yīng)附加上相應(yīng)的建筑軸網(wǎng)，并與主體結(jié)構(gòu)的相對位置完全正確，如下圖為建立好以后的結(jié)構(gòu)三維線框模型；

▲ 結(jié)構(gòu)三維線框模型

3）將整體模型及軸網(wǎng)、主體結(jié)構(gòu)等以某一個明確的且離模型較近的點作為模型的原點移動到CAD圖中的原點位置（一般選在整個模型的左下角，主軸網(wǎng)交點處，Z向原點相對于建筑的實際標(biāo)高根據(jù)實際確定），后期出圖時會給出節(jié)點、桿件相對于這個原點的相對坐標(biāo)作為圖紙的三維空間表達(dá)；

4）將建立好的三維線框模型另存dxf，導(dǎo)入到midas/gen模型中進(jìn)行材料構(gòu)件定義、結(jié)構(gòu)分析。

分析過程

在midas/gen中進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時應(yīng)特別注意：

1、自重應(yīng)定義在恒載中，自重系數(shù)根據(jù)情況取≥1.0。當(dāng)結(jié)構(gòu)節(jié)點處采用少量的焊接球或螺栓球時一般取為1.1，對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)球節(jié)點較多時自重系數(shù)一般取為1.2，同時注意自重系數(shù)的方向，如圖中為豎直向下，即重力方向；

2、定義荷載工況，根據(jù)需要定義荷載工況如右圖所示，荷載組合可先采用軟件自動組合，基本能按荷載規(guī)范的要求將基本的恒載、活載，風(fēng)荷載，地震等進(jìn)行組合，但溫度荷載不能自動組合，需要自動生成后進(jìn)行手動組合，空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載需要根據(jù)風(fēng)洞實驗或者經(jīng)驗得出的體型系數(shù)，換算成風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，再采用面荷載加到結(jié)構(gòu)中去；

3、復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)補(bǔ)充時程分析和屈曲分析，特征值屈曲系數(shù)一般不小于15，這時通常情況下非線性屈曲系數(shù)不會小于4.0；

4、結(jié)果查看時主要查看以下幾個方面：

1）周期振型是否有異常。

2）變形是否滿足要求。

3）查看應(yīng)力是否滿足要求。

4）構(gòu)造條件是否滿足要求。

節(jié)點分析及設(shè)計

1、常用節(jié)點種類

復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點主要采用焊接空心球節(jié)點、相貫焊節(jié)點、鑄鋼節(jié)點以及銷軸節(jié)點等。

1）焊接空心球節(jié)點

焊接空心球是將按設(shè)計要求確定的兩塊圓鋼板經(jīng)過熱壓或冷壓加工成兩個半圓球殼、再對接焊接成一個整體。焊接空心球分為無肋空心球和有肋空心球，其中有肋空心球為在球殼內(nèi)部增設(shè)環(huán)形加勁板。有肋空心球又可分為單肋空心球和雙肋空心球，雙肋空心球又分為平行或十字交叉雙肋空心球。

焊接空心球設(shè)計時主要先預(yù)估焊接球的外徑、壁厚以及加勁肋的厚度，整體結(jié)構(gòu)分析完成后通過讀取桿件內(nèi)力再驗算是否滿足要求。

2）相貫焊節(jié)點

相貫焊節(jié)點是指管件之間沿著相貫線進(jìn)行的無縫焊接，相貫線通常采用數(shù)控機(jī)床切割相交桿件所得，需注意區(qū)分主管與支管。實際設(shè)計時當(dāng)管件相交夾角較小時，相貫線會有很長相交范圍，與軟件計算假定不符，此時相貫焊節(jié)點應(yīng)做加強(qiáng)處理，例如在相交面增加中間肋板、相交段范圍內(nèi)增加加強(qiáng)套管等。相貫焊節(jié)點的分析與設(shè)計在《空間網(wǎng)格技術(shù)規(guī)程》中有詳細(xì)介紹。

▲ 相貫焊節(jié)點

3）鑄鋼節(jié)點

鑄鋼節(jié)點主要用于受力大，節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜的重要性節(jié)點。鑄鋼節(jié)點受力性能好，節(jié)點可靠度高，但是需要提前定制模具，施工周期較長且經(jīng)濟(jì)性差，設(shè)計時需考慮。

▲ 鑄鋼節(jié)點

4）銷軸節(jié)點

銷軸節(jié)點具有構(gòu)造簡單、傳力明確，能夠理想的實現(xiàn)鉸接連接等優(yōu)點，在建筑鋼結(jié)構(gòu)中得到廣泛的應(yīng)用。

2、節(jié)點有限元分析

常用有限元分析軟件主要有ansys、abaqus以及midas/gen等。Ansys建模精度要求最高，很小的誤差或者設(shè)置不符合軟件的要求均計算不出結(jié)果；abaqus建模要求相對較低，一般都能算出結(jié)果，但需要設(shè)計人員自己判斷結(jié)果的正確性，且有軟件界面友好，學(xué)習(xí)相對簡單；midas/gen的分析功能不如前兩個軟件強(qiáng)大，用到的也相對較少。

出圖內(nèi)容

空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)不能用明確的平面、立面和剖面進(jìn)行圖紙表達(dá)，因此出圖時需要將傳統(tǒng)的平、立、剖面圖與結(jié)構(gòu)三維軸測圖以及細(xì)部放大圖、節(jié)點和桿件坐標(biāo)表等相結(jié)合作為圖紙表達(dá)。

此項目主要設(shè)計圖紙如圖所示，除了傳統(tǒng)“圖紙目錄”、“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計總說明”以及“預(yù)埋件布置圖”和“節(jié)點詳圖” 外，增加了“結(jié)構(gòu)三維軸測圖”、“結(jié)構(gòu)俯視圖”、“支座節(jié)點編號圖”、“節(jié)點坐標(biāo)表”以及“桿件編號表”。

結(jié)構(gòu)三維軸測圖和結(jié)構(gòu)俯視圖需要在建立完結(jié)構(gòu)三維實體模型后才能給出，cad三維實體圖中應(yīng)包含的內(nèi)容有：

1）各個桿件的截面規(guī)格；

2）需要增加球節(jié)點的位置和大小；

3）支座節(jié)點信息。

實際建立三維模型時一般將桿件規(guī)格作為圖層的名字并以不同的顏色加以區(qū)分，桿件的大小按實際規(guī)格建立，整個模型與建筑的相對位置與項目實際應(yīng)保持一致，包括標(biāo)高。焊接球按實際規(guī)格建立，規(guī)格作為圖層的名字，也用顏色區(qū)分。構(gòu)件大小、球節(jié)點大小以及相對位置如果都和項目實際一致就很容易進(jìn)行碰撞檢查，并能給甲方以及施工單位直觀感受，便于施工和項目呈現(xiàn)。

結(jié)構(gòu)三維實體模型建立時，可用MIDAS分步導(dǎo)出構(gòu)件中心線，然后再分別指定圖層和構(gòu)件規(guī)格，并通過放樣確定增加焊接球的位置及大小，并用CAD放樣出結(jié)構(gòu)支座的相關(guān)做法。實體模型完成后可用于生成結(jié)構(gòu)三維軸測圖以及俯視圖或立面圖，并能給設(shè)計師直觀感受，是否符合設(shè)計要求。同時實體模型可用于加工廠構(gòu)件加工，施工單位施工參考以及對甲方的項目展示。

注意：焊接球的位置和大小應(yīng)在節(jié)點坐標(biāo)表中給出。