廣東建筑工業(yè)化展 2018-01-22 1132
前言 近年來(lái),隨著大眾對(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)工程師提出了更高的要求,如何對(duì)該類型結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化、建模、分析、設(shè)計(jì)以及出圖是我們急需解決的問(wèn)題。本文通過(guò)已有的工程經(jīng)驗(yàn),并結(jié)合審圖單位、施工單位的寶貴意見(jiàn),對(duì)復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)全過(guò)程進(jìn)行探討,總結(jié)了部分分析與設(shè)計(jì)方法,可供此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。
空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)概述 空間結(jié)構(gòu)是相對(duì)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(wú)法用簡(jiǎn)單的平面、立面、剖面表示其結(jié)構(gòu)施工圖。空間復(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(wèn)題。 常見(jiàn)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(shí),該類建筑造型輕巧、外形美觀,主要用于車站、飛機(jī)場(chǎng)、體育館等大型公共建筑。
▲ 復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)典型實(shí)例
建模過(guò)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(huì)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(xiàng)目的表達(dá)。而結(jié)構(gòu)建模時(shí),依據(jù)其三維模型來(lái)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(shí)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(guò)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(guò)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(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面:
1)導(dǎo)出dxf模型時(shí)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(duì)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(gè)明確的且離模型較近的點(diǎn)作為模型的原點(diǎn)移動(dòng)到CAD圖中的原點(diǎn)位置(一般選在整個(gè)模型的左下角,主軸網(wǎng)交點(diǎn)處,Z向原點(diǎn)相對(duì)于建筑的實(shí)際標(biāo)高根據(jù)實(shí)際確定),后期出圖時(shí)會(huì)給出節(jié)點(diǎn)、桿件相對(duì)于這個(gè)原點(diǎn)的相對(duì)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(guò)程 在midas/gen中進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)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(diǎn)處采用少量的焊接球或螺栓球時(shí)一般取為1.1,對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)球節(jié)點(diǎn)較多時(shí)自重系數(shù)一般取為1.2,同時(shí)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(dòng)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(dòng)組合,需要自動(dòng)生成后進(jìn)行手動(dòng)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(shí)驗(yàn)或者經(jīng)驗(yàn)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(shí)程分析和屈曲分析,特征值屈曲系數(shù)一般不小于15,這時(shí)通常情況下非線性屈曲系數(shù)不會(huì)小于4.0;
4、結(jié)果查看時(shí)主要查看以下幾個(gè)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(diǎn)分析及設(shè)計(jì)
復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)主要采用焊接空心球節(jié)點(diǎn)、相貫焊節(jié)點(diǎn)、鑄鋼節(jié)點(diǎn)以及銷軸節(jié)點(diǎn)等。
1)焊接空心球節(jié)點(diǎn)
焊接空心球是將按設(shè)計(jì)要求確定的兩塊圓鋼板經(jīng)過(guò)熱壓或冷壓加工成兩個(gè)半圓球殼、再對(duì)接焊接成一個(gè)整體。焊接空心球分為無(wú)肋空心球和有肋空心球,其中有肋空心球?yàn)樵谇驓?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(jì)時(shí)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(guò)讀取桿件內(nèi)力再驗(yàn)算是否滿足要求。
2)相貫焊節(jié)點(diǎn)
相貫焊節(jié)點(diǎn)是指管件之間沿著相貫線進(jìn)行的無(wú)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(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)當(dāng)管件相交夾角較小時(shí),相貫線會(huì)有很長(zhǎng)相交范圍,與軟件計(jì)算假定不符,此時(shí)相貫焊節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的分析與設(shè)計(jì)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(diǎn)
3)鑄鋼節(jié)點(diǎn)
鑄鋼節(jié)點(diǎn)主要用于受力大,節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜的重要性節(jié)點(diǎn)。鑄鋼節(jié)點(diǎn)受力性能好,節(jié)點(diǎn)可靠度高,但是需要提前定制模具,施工周期較長(zhǎng)且經(jīng)濟(jì)性差,設(shè)計(jì)時(shí)需考慮。
▲ 鑄鋼節(jié)點(diǎn)
4)銷軸節(jié)點(diǎn)
銷軸節(jié)點(diǎn)具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、傳力明確,能夠理想的實(shí)現(xiàn)鉸接連接等優(yōu)點(diǎn),在建筑鋼結(jié)構(gòu)中得到廣泛的應(yīng)用。
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(jì)算不出結(jié)果;abaqus建模要求相對(duì)較低,一般都能算出結(jié)果,但需要設(shè)計(jì)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(duì)簡(jiǎn)單;midas/gen的分析功能不如前兩個(gè)軟件強(qiáng)大,用到的也相對(duì)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(shí)需要將傳統(tǒng)的平、立、剖面圖與結(jié)構(gòu)三維軸測(cè)圖以及細(xì)部放大圖、節(jié)點(diǎn)和桿件坐標(biāo)表等相結(jié)合作為圖紙表達(dá)。
此項(xiàng)目主要設(shè)計(jì)圖紙如圖所示,除了傳統(tǒng)“圖紙目錄”、“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總說(shuō)明”以及“預(yù)埋件布置圖”和“節(jié)點(diǎn)詳圖” 外,增加了“結(jié)構(gòu)三維軸測(cè)圖”、“結(jié)構(gòu)俯視圖”、“支座節(jié)點(diǎn)編號(hào)圖”、“節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)表”以及“桿件編號(hào)表”。
結(jié)構(gòu)三維軸測(cè)圖和結(jié)構(gòu)俯視圖需要在建立完結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型后才能給出,cad三維實(shí)體圖中應(yīng)包含的內(nèi)容有:
1)各個(gè)桿件的截面規(guī)格;
2)需要增加球節(jié)點(diǎn)的位置和大?。?/span>
3)支座節(jié)點(diǎn)信息。
實(shí)際建立三維模型時(shí)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(shí)際規(guī)格建立,整個(gè)模型與建筑的相對(duì)位置與項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)保持一致,包括標(biāo)高。焊接球按實(shí)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(diǎn)大小以及相對(duì)位置如果都和項(xiàng)目實(shí)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(xiàng)目呈現(xiàn)。
結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型建立時(shí),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(guò)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(shí)體模型完成后可用于生成結(jié)構(gòu)三維軸測(cè)圖以及俯視圖或立面圖,并能給設(shè)計(jì)師直觀感受,是否符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)實(shí)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(duì)甲方的項(xiàng)目展示。
注意:焊接球的位置和大小應(yīng)在節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)表中給出。
繪制節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)表以及桿件編號(hào)表時(shí)應(yīng)注意:
1)這部分內(nèi)容應(yīng)放在三維實(shí)體模型以及其余二維圖紙基本完成后繪制,如后期有改動(dòng),返工量較大;
2)下圖的節(jié)點(diǎn)分布圖以及桿件分布圖應(yīng)與結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型和相應(yīng)表格一一對(duì)應(yīng),如節(jié)點(diǎn)處是否有焊接球,焊接球的大小都需對(duì)應(yīng)并與實(shí)際相符;
3)節(jié)點(diǎn)分布圖、桿件分布圖較多時(shí)可以分部給出,避免表達(dá)不清楚,如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)或桿件有變化時(shí)可只改相應(yīng)位置,其余位置不改變,否則工作量太大。
總結(jié) 復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)的種類非常多,其分析設(shè)計(jì)方法也不是幾篇分析設(shè)計(jì)流程所能概括,本文結(jié)合實(shí)際工程案例,簡(jiǎn)要介紹了這類結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)過(guò)程及要點(diǎn),仍有很多不夠完善的地方有待進(jìn)一步研究解決。
來(lái)源:鋼結(jié)構(gòu)
組委會(huì)聯(lián)系方式
項(xiàng)目一組
盧毅 殷鋒
座機(jī):020-61198842 座機(jī):020-62139606
手機(jī):137 1143 0398 手機(jī):185 6528 2359
Q Q:323201814 Q Q:1684672007
黃祺
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Q Q: 2724397436
項(xiàng)目二組
李健銘 梁建林
座機(jī):020-61198891 座機(jī):020-62139604
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項(xiàng)國(guó)澳
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市場(chǎng)部·媒體合作
郭穗豐 鄧海蓮
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