网壳结构计算原则
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目录1、引言................................................................................................................................ - 2 -1.1、工程概况............................................................................................................. - 2 -1.2、分析方法及内容................................................................................................. - 2 -2、数值计算方法................................................................................................................ - 2 -2.1、空间杆系有限单元法......................................................................................... - 3 -2.1.1空间杆系有限单元法的基本原则............................................................. - 3 -2.1.2、空间杆系有限单元法的基本过程.......................................................... - 3 -2.2、平面问题有限单元法......................................................................................... - 3 -2.2.1、连续体的离散化...................................................................................... - 4 -2.2.2、单元分析.................................................................................................. - 4 -2.2.3、整体分析.................................................................................................. - 4 -2.3、计算程序简介..................................................................................................... - 5 -3、计算模型及计算参数.................................................................................................... - 5 -3.1、计算模型............................................................................................................. - 5 -3.2、计算单元的选取................................................................................................. - 7 -3.3、计算参数选取..................................................................................................... - 7 -3.3.1、杆件计算参数选取.................................................................................. - 7 -3.3.2、荷载参数的选取...................................................................................... - 7 -3.3.3、荷载组合效应........................................................................................ - 11 -4、大跨空间结构的校核.................................................................................................. - 13 -4.1、各种荷载作用下的效应................................................................................... - 13 -4.2、强度校核........................................................................................................... - 16 -4.3、变形校核......................................................................................................... - 17 -5、焊接空心球的受力分析.............................................................................................. - 17 -6、总结.............................................................................................................................. - 20 -1、引言大跨度结构近年来得到日益广泛的应用,被用作各种公共建筑的屋盖、雨棚等,其结构形式多为空间桁架杆件体系或空间梁系组成的网架或网壳,结构材料一般为钢材。
网架(网壳)结构支承方式及支座设计的探讨合肥水泥研究设计院钢构公司张长根内容摘要:在网架(网壳)结构设计中,下部支承结构、支座型式及边界条件的选定,对网架(网壳)结构的稳定性、杆件内力、支座反力、节点位移、用钢量等至关重要。
在实际设计中通过把网架和下部结构连成一体整体分析计算,选择合理的下部支承结构及支座型式,以期使网架(网壳)结构设计更安全、经济、合理。
关键词:支承结构、支座型式、支座节点、边界条件、弹簧刚度0引言在各类空间结构中,刚性体系中的网架( 网壳)结构作为一种高次超静定空间杆系结构,由于其受力性能好(理论上杆件只受轴力作用)、刚度大、整体性及抗震性能好、承载力强、受支座不均匀沉降影响小、适应性强,而计算理论的日益完善以及计算机技术飞速发展,使得对任何极其复杂的三维结构的分析与设计成为可能,因此网架(网壳)结构被广泛应用于工业与民用建筑领域中。
但网架(网壳)结构如果其支承结构、支座型式及边界条件设计不合理会对网架(网壳)结构的安全性和经济性造成重要影响。
1. 支承结构与支承方式目前在很多工程中,网架(网壳)一般由专业的钢构公司根据事先假定的边界约束条件进行设计,再将他们算出来的支座反力作为外加荷载作用到下部支承结构中。
把网架(网壳)和下部支承结构分开计算,网架支座相对于下部结构的位移虽然可以通过弹性约束方法模拟,但是由下部支承结构变形带来的支座沉陷等支座本身的变位很难估算准确,算出来的结构内力在某些情况下会与实际情况差别较大,可能会给工程留下安全隐患。
下部结构可能是柱,也可能是梁,也可能是其他结构形式,不仅刚度是有限的,而且具体工程刚度差异可能很大,在这种假定条件下,算出来的杆件内力、支座反力及下部结构内力与采用网架支座刚度为实际刚度且上、下部结构共同工作的力学模型所计算出来的结果肯定是不相同的。
另外,分开计算还割裂了上下部结构的协同工作,使得上、下部结构的周期和位移计算均不准确。
通常网架的支承可以分为周边支承、点支承以及点支承与周边支承混合使用三种方式,周边支承是将网架周边节点搁置在梁或柱上,点支承则是将网架支座以较大的间距搁置于独立梁或柱上,柱子与其他结构无联系。
网架( 网壳)结构作为一种高次超静定空间杆系结构,由于其受力性能好(理论上杆件只受轴力作用)、刚度大、整体性及抗震性能好、承载力强、受支座不均匀沉降影响小、适应性强,而计算理论的日益完善以及计算机技术飞速发展,使得对任何极其复杂的三维结构的分析与设计成为可能,因此网架结构被广泛应用于工业与民用建筑领域中。
但网架结构如果其支承结构、支座型式及边界条件设计不合理会对网架结构的安全性和经济性造成重要影响。
1. 支承结构与支承方式目前在很多工程中,网架(网壳)一般由专业的钢构公司根据事先假定的边界约束条件进行设计,再将他们算出来的支座反力作为外加荷载作用到下部支承结构中。
把网架(网壳)和下部支承结构分开计算,网架支座相对于下部结构的位移虽然可以通过弹性约束方法模拟,但是由下部支承结构变形带来的支座沉陷等支座本身的变位很难估算准确,算出来的结构内力在某些情况下会与实际情况差别较大,可能会给工程留下安全隐患。
下部结构可能是柱,也可能是梁,也可能是其他结构形式,不仅刚度是有限的,而且具体工程刚度差异可能很大,在这种假定条件下,算出来的杆件内力、支座反力及下部结构内力与采用网架支座刚度为实际刚度且上、下部结构共同工作的力学模型所计算出来的结果肯定是不相同的。
另外,分开计算还割裂了上下部结构的协同工作,使得上、下部结构的周期和位移计算均不准确。
通常网架的支承可以分为:周边支承、点支承以及点支承与周边支承混合使用三种方式,周边支承是将网架周边节点搁置在梁或柱上,点支承则是将网架支座以较大的间距搁置于独立梁或柱上,柱子与其他结构无联系。
网架(网壳)搁置在梁或柱上时,可以认为梁和柱的竖向刚度很大,忽略梁的竖向变形和柱子轴向变形,因此网架(网壳)支座竖向位移为零,网架(网壳)支座水平变形应考虑下部结构共同工作。
在周边支承网架(网壳)支座的径向应将下部支承结构作为网架(网壳)结构的弹性约束,而点支承网架(网壳)支座的边界条件应考虑水平X和Y两个方向的弹性约束。
结构设计攻略之网壳结构完美设计法1、网壳是什么网壳是一种与平板网架类似的空间杆系结构,系以杆件为基础,按一定规律组成网格,按壳体结构布置的空间构架,它兼具杆系和壳体的性质。
其传力特点主要是通过壳内两个方向的拉力、压力或剪力逐点传力。
此结构是一种国内外颇受关注、有广阔发展前景的空间结构。
网壳结构又包括单层网壳结构、预应力网壳结构、板锥网壳结构、肋环型索承网壳结构、单层叉筒网壳结构等。
2、网壳的发展史网壳结构的雏形——穹顶结构。
在人类社会的发展历程中,大跨度空间结构常常是建筑人员追求的梦想和目标。
其中,网壳结构的发展经历了一个漫长的历史演变过程。
古代的人类通过详细观察,利用仿生原理,为了有一个更好的生存空间,常常以树枝为骨架、以稻草为蒙皮来模仿如蛋壳、鸟类的头颅、山洞的,搭造穹顶结构,即最初的帐篷。
随着建筑材料的发展,穹顶的石料,后面逐渐被砖石取代。
穹顶的跨度一般不大,在30m~40m左右,其中建于公元120~124年的罗马万神庙是早期穹顶的典型代表。
到19世纪,铁的应用为穹顶的发展开创了一个新纪元,近代钢筋混凝土结构理论的出现及应用开辟了大跨度薄壳穹顶的新领域。
1922年在德国耶拿建造了土木工程史上第一座钢筋混凝土薄壳结构———耶拿天文馆。
耶拿天文馆随着铁、钢材、铝合金等轻质高强材料出现及应用,富有想象力的工程师开始了对穹顶结构使用各种杆件形式。
公认的“穹顶结构之父”—德国工程师施威德勒对穹顶网壳的诞生与发展起了关键性的作用, 他在薄壳穹顶的基础上提出了一种新的构造型式,即把穹顶壳面划分为经向的肋和纬向的水平环线,并连接在一起,而且在每个梯形网格内再用斜杆分成两个或四个三角形,这样穹顶表面的内力分布会更加均匀,结构自身重量也会进一步降低,从而可跨越更大空间。
这样的穹顶结构实际上已是真正的网壳结构,即沿某种曲面有规律的布置大致相同的网格或尺寸较小的单元,从而组成空间杆系结构。
施威德勒网壳3、已建成的网壳赏析富勒球1962年11月13日,经过百般周折,加拿大终于获得1967年蒙特利尔世博会的举办权。
网壳结构制作与安装的要求
1、多跨连续点支承网壳,由于支柱支点偏心容许偏差较小,故提高其几何尺寸精度。
2、总拼应采取合理的施焊顺序,尽量减少焊接变形和焊接应力。
总拼时的施焊顺序应从中间向两端或从中间向四周发展。
由于网壳拼接时有一端可以自由收缩,焊工可随时调整尺寸(如预留收缩量的调整等),既保证网壳尺寸又使焊接应力较小。
对网壳稳定性进行全过程分析时考虑初始曲面安装偏差,计算值可取网壳跨度的1/300。
实践表明,这种在计算中的假定作为施工安装偏差是偏大的。
实际上,安装偏差不单单由稳定计算控制,还应考虑屋面排、美观等因素,因此将此值定为随跨度变化(跨度的1/1500)并给予一最大限值40mm。
3、对焊接质量的检验,首先应对全部焊缝进行外观检查。
无损探伤检验的取样部位以设计单位意见为主,与施工单位协商确定。
此时应注意首先检验应力最大以及支座附近的杆件。
无损探伤的抽样数应至少取焊口总数的20%,每一焊口系指钢管与球节点连接处的一圈焊缝。
4、螺栓球节点拧紧螺栓后不加任何填嵌密封及防腐处理时,接头与大气相通,其中高强度螺栓及钢管。
锥头等内壁容易锈蚀,因此施工后必须认真执行密封防腐
要求。
网壳结构计算四原则
1网壳结构主要包括应对使用阶段的外荷载(包括竖向和水平向)进行内力、位移计算,对单层网壳通常要进行稳定性计算,并据此实施杆件截面设计。
此外,对地震、温度变化、支座沉降及施工安装载重,应根据详细情况进行内力、位移计算。
2网壳结构的各种荷载取值与组合按现行荷载规范及抗震设计规范确定。
网壳结构中内力和位移计算时认为材料是线弹性的,不重新考虑弹塑性及塑性的影响;网壳结构的稳定性计算由于位移较大要考虑结构几何非线性的影响。
3风荷载往往对网壳的内力和变位有很大影响,当在现行《建筑结构中荷载规范》GB50009拜托不到风荷载体形系数时,应进行模型风洞试验以确定风荷载体型系数。
4双层网壳的计算模型可假定为空间铰接杆系结构,忽略节点刚度的影响,不计次应力;单层网壳的计算模型可假定为空间刚接梁系结构,每根杆件要可承受轴力,弯矩(包括扭矩)和剪力。
作用在网壳上以的局部荷载在分析时先按静力等效原则换算成节点荷载做整体计算,然后考虑局部弯曲内力的影响。
网壳结构一、简介1.1 何为网壳结构网壳结构是曲面型的网格结构,兼有杆系结构和薄壳结构的固有特性,受力合理,覆盖跨度大,其外形为壳,是格构化的壳体,也是壳形的网架。
它是以杆件为基础,按一定规律组成网格,按壳体坐标进行布置的空间构架,其传力特点主要是通过壳内两个方向的拉力、压力或剪力逐点传力。
它既有靠空间体形受力的优点,又有工厂生产构件现场安装的施工简便、快速的长处,而且他以结构受力合理,刚度大,自重轻,体形美观多变,技术经济指标好,而成为大跨结构中备受关注的一种结构形式。
1.2 网壳的形式与分类(1)按网壳的层数来分,有单层网壳和双层网壳,其中双层网壳通过腹杆把内外两层网壳杆件连接起来,因而可把双层网壳看作由共面与不共面的拱桁架系或大小相同与不同的角锥系(包括四角锥系、三角锥系和六角推系)组成。
(一般来说,中小跨度(一般为40m以下)时,可采用单层网完,跨度大时,则采用双层网壳。
)如图1图1 单层网壳与双层网壳(2)按网壳的用材分,主要有木网壳、钢网壳、钢筋混凝土网壳以及钢网壳与钢筋混凝土屋面板共同工作的组合网壳等四类。
(3)按曲面的曲率半径分,有正高斯曲率网壳、零高斯曲率网壳和负高斯曲率网壳等三类。
(4)按曲面的外形分,主要有球面网壳、圆柱面网壳、扭网壳(包括双曲抛物面鞍型网壳、单块扭网壳、四块组合型扭网壳)等。
(5)按网壳网格的划分来分,有以下两类。
对于圆柱面网壳主要有单向斜杆型、交叉斜杆型、联方网格型、三向型,如图2所示。
对于球面网壳主要有肋环型、Schwedler型、联方网格型、三向网格型,如图3所示。
(a)(b)(c)(d)图2 圆柱面单层网壳网格(a)单向斜杆型(b)交叉斜杆型(c)联方型(d)三向网格型图3单层球面网壳网格类型二、受力特点和典型工程应用1、圆柱面网壳受力特点1.1两对边支撑对于以跨度方向为支座,拱脚常支撑于圈梁、柱顶或基础上产生推力。
对于以波长方向为支座,柱面网壳端支座若为墙,则为受拉构件,若端支座为边高度梁,则为拉弯构件,此时应设边梁。
直径34米子午线结构钢网壳强度稳定计算书编制:李群校对:吴永浩审核:赵家荣一、设计规范1.GB50341-2003 《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》2.API650-2005 《焊接钢制油罐》3.JGJ61-2003 《网壳结构技术规程》4.GB50017-2003 《钢结构设计规范》5.GB50009-2001 《建筑结构荷载规范》二、设计参数1.静载:网壳自重300Pa5mm 厚钢顶板自重450Pa2.附加荷载(活载):1200 Pa3.基本风压:600 Pa4.基本雪压:600 Pa5.操作压力:正压1960 Pa、负压490 Pa6.试验压力:正压2200 Pa、负压1320 Pa7.罐顶温度:50 ℃8.地震烈度:7 度0.12g9.场地土类别:II 类10.地面粗糙度:B 类三、考虑的荷载工况如下:1.静载+ 活载2.静载+ 活载+ 风载3.静载+ 风载+ 正压4.静载+ 风载+ 负压5.静载+ 雪载+ 正压6.静载+ 雪载+ 负压7.静载+ 风载+ 正压+ 温度8.静载+ 风载+ 负压+ 温度9.静载+ 雪载+ 正压+ 温度10.静载+ 雪载+ 负压+ 温度11.静载+ 半跨活载12.静载+ 半跨活载+ 风载13.静载+ 地震14.静载+ 地震+ 正压15.静载+ 地震+ 负压四、罐顶钢网壳的网格划分及其几何数据油罐内径:D = 34m 钢网壳的曲率半径:Sr = 1.0D = 34m子午线网格的划分频数为:28 Q235-B不等边角钢杆件:L 140x90x8 L140x90x8 截面特性:外形尺寸:140x90x8 mm;截面积:17.6cm2;惯性矩:Ix=669cm4;Iy=205cm4;惯性半径:Rx=5.14cm;Ry=2.85cm;Rmin=2.19cm;钢网壳网格的最大长度为:1272mm壳体曲面外的长细比:λ外= 1.6x1272/51.4 = 39.6 < [150]壳体曲面内的长细比:λ内= 1272/28.5 = 44.6 < [150]杆件的最薄弱弯曲面:λ最弱= 1272/21.9 = 58.1 < [150]钢网壳的网格划分如下:五、钢网壳结构的有限元软件应力分析网壳结构采用ANSYS 软件进行静力和曲屈稳定分析。
网壳结构计算原则是非常重要的,原则的制定是为了更好的进行施工处理,每个细节都非常关键,尤其要结合实际。
1、网壳结构主要应对使用阶段的外荷载(包括竖向和水平向)进行内力、位移计算,对单层网壳通常要进行稳定性计算,并据此进行杆件截面设计。
此外,对地震、温度变化、支座沉降及施工安装荷载,应根据具体情况进行内力、位移计算。
2、网壳结构的各种荷载取值与组合按现行荷载规范及抗震设计规范确定。
网壳结构内力和位移计算时认为材料是线弹性的,不考虑弹塑性及塑性的影响;网壳结构的稳定性计算由于位移较大要考虑结构几何非线性的影响。
3、风荷载往往对网壳的内力和变位有很大影响,当在现行《建筑结构荷载规范》GB 50009找不到风荷载体形系数时,应进行模型风洞试验以确定风荷载体型系数。
4、双层网壳的计算模型可假定为空间铰接杆系结构,忽略节点刚度的影响,不计次应力;单层网壳的计算模型可假定为空间刚接梁系结构,每根杆件要承受轴力,弯矩(包括扭矩)和剪力。
作用在网壳杆件上的局部荷载在分析时先按静力等效原则换算成节点荷载做整体计算,然后考虑局部弯曲内力的影响。