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世博轴阳光谷单层网壳栓接节点刚度简化计算
张皓涵;张其林
【期刊名称】《施工技术》
【年(卷),期】2009(038)008
【摘要】上海世博会世博轴阳光谷采用自由形态设计理念,是一种采用栓接节点的网壳结构.以上海世博会世博轴阳光谷钢结构工程为背景,针对自由形态单层壳体中的栓接节点,提出了弯矩.转角(M-θ)曲线形式和刚度简化计算公式.将简化计算结果与有限元精细模型对比,证明刚度简化公式能够较好地表述栓接节点的荷载-位移关系,特别是能准确地确定节点的初始刚度.该方法简单、可靠,很好地满足了结构设计计算的要求.
【总页数】3页(P28-30)
【作者】张皓涵;张其林
【作者单位】同济大学土木工程学院,上海,200092;同济大学土木工程学院,上海,200092
【正文语种】中文
【中图分类】TU311.4
【相关文献】
1.上海世博会世博轴阳光谷钢结构施工关键技术 [J], 顾拥军;董庄勇
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3.世博轴阳光谷单层网壳钢节点承载性能研究 [J], 王洪军;张安安;张皓涵;汤海林;
张其林
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5.栓接H型钢梁柱十字半刚性节点初始转动刚度计算 [J], 李龙; 糜启龙; 王胜虎因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
第六届全国现代结构工程学术研讨会某复杂空间网壳的建模新方法杨宗林罗晓群张其林（同济大学建筑设计研究院，上海２０００９２）（同济大学土木工程学院建工系，上海２０００９２）摘要：本文采用膜结构的形态分析理论来进行某复杂空间网壳的曲面造型设计，利用膜结构的裁剪技术进行曲面的分割得到网格，完成空间网壳的建模过程，思路新颖，方法独特，可以借鉴。
关键词：膜结构，形态分析理论，裁剪技术一、引言近１０年来，我国的网壳结构获得了迅速的发展，应用范围日益扩大。
网壳结构具有刚度大、自重轻、造型丰富美观，综合技术经济指标好的特点，是大跨度、大空间结构的主要结构形式之一。
网壳结构具有非常丰富的建筑造型，工程师利用各种曲面能创造出许多造型新颖，生动活泼的建筑来。
曲面分为两大类，一类是典型曲面，也就是几何学曲面，这类曲面可以用几何学方程表达出来，例如平面、圆柱面、圆锥面、球面、抛物面等；另一类是非典型曲面，也就是非几何学曲面，这些曲面不能以简单的几何学方程来表示。
虽然典型曲面以及对典型曲面进行适当的切割组合ｆｌ匕仓，Ｊ造出许多型体优美的网壳结构，但建筑师对非典型曲面却更加青睐，因为非典型曲面能更自由、更理想地创造建筑型体。
大量的复杂曲面的建筑设计对结构ＣＡＤ软件建模功能提出了挑战，结构工程师们借鉴工业和机械制造业的ＣＡＧＤ（计算机辅助几何设计）技术，利用Ｂｅｚｉｅｒ、Ｂ样条、非均匀有理Ｂ样条（ＮＵＲＢＳ）等方法来设计空间结构尤其是网壳结构的型体得到了令人满意的结果。
与网壳结构相比，另一种空间结构一一膜结构的曲面造型却更自然和丰富多彩，膜结构和索网结构的发展催生了以计算机技术为基础的形态分析理论（ＦｏｒｍＦｉｎｄｉｎｇ），也就是求满足给定预应力状态和边界条件的结构形状，形态分析可以得到正高斯曲率的曲面（如充气膜结构）也可以得到负高斯曲率的曲面（如张拉膜结构），见图１。
图１充气膜结构和张拉膜结构形态分析过程我们可以利用膜结构的形态分析方法来解决一些复杂网壳的曲面造型设计，之后利用膜结构的裁剪技术来解决网格划分问题，希望本文对从事空间网壳设计的研究和设计者有所帮助。
![空间网架结构概论[论文]](https://uimg.taocdn.com/8cdc5345852458fb770b5611.webp)
空间网架结构概论【摘要】文主要介绍了空间结构的形式各个形式结构的特点，包括刚性结构体系、柔性结构体系、杂交结构体系、折叠结构、开合结构、玻璃结构。
简单分析了空间网架结构的优缺点。
【关键词】钢结构；空间网架结构文章编号:issn1006—656x(2013)06-000104-01一、钢结构中空间网架结构的应用现状近年来，国内大型钢结构工程建设项目越来越多，各种形式的空间结构已向超大跨度结构发展，其中空间网架结构应用的非常广泛。
例如天津体育中心，双层球面网壳，焊接球节点；国家大剧院外部围护结构为钢结构网壳，深圳机场候机大厅，济南长途汽车总站客运楼，天津自然博物馆……一些已建或正在建的钢结构工程，以其创新的理念、新颖的造型和独特的结构形式成为了标志性建筑。
二、空间网架结构的结构形式（一）刚性结构体系1.网架网架结构是目前空间结构中发展最快，应用最为广泛的结构形式，按其结构组成划分为交叉桁架系、四角锥体系和三角锥体系三大类。
特点是空间刚度大，整体性好，有良好的抗震性能，而且构造简单、施工方便，杆件规格统一（上、下弦杆等长，腹杆等长）。
2.网壳网壳结构的应用比较广泛，曲面形状多样，有柱面网壳、球面网壳以及其他各类复杂曲面及其组合。
网壳结构是主要优点是它的灵活性能够适应建筑设计的创造性，但由于网壳结构主要承受的是压力，那么它就存在稳定问题。
当跨度超过一定值后，材料的强度不能充分利用，不经济。
（二）柔性结构体系1.悬索结构悬索结构是由高强拉索组成的张力结构，国内较早建成的是天津大学体育馆。
按其组成方法和受力特点可分为单层悬索结构，双层悬索结构和索网结构。
讨论悬索结构关键问题是结构在风与地震作用下的动力反应。
2.膜结构膜结构可分为充气式膜结构和张力式膜结构两种。
膜结构具有自重轻、造型美观、富有时代气息、能源消耗少、施工速度快、经济效益明显、使用安全可靠、以及使用范围广等优点，主要应用于大型体育设施，娱乐中心，超级商场等。
1 总则1.0.2 本标准是以原《网架结构设计与施工规程》JGJ7-91与原《网壳结构技术规程》JGJ 61-2003为主，综合考虑二本规程共同点与各自特点，将网架、网壳与立体桁架、张弦结构统称空间网格结构。
空间网格结构包括以主要承受弯曲内力的平板型网架、主要承受薄膜力的单层与双层网壳，同时也包括现在常用的立体管桁架。
当平板型网架上弦构件或双层网壳上弦构件采用钢筋混凝土板时，构成了组合网架或组合网壳。
当空间网格结构采用预应力索组合时形成预应力空间网格结构，本标准中有关章节均可适用于这些类型空间网格结构的设计与施工。
3 基本规定3.1 结构选型3.1.2 本条中按网格组成形式，如交叉桁架体系、四角锥体系与三角锥体系，列出了国内常用的13种网架形式。
布置网架时应避免结构体系几何可变。
3.1.4 单层网壳的杆件布置方式变化多样，本条给出一些最常用的形式供设计人员选用，设计人员也可以参照现有的布置方式进行变换。
3.1.6 立体桁架通常是由二根上弦、一根下弦或一根上弦、二根下弦组成的单向桁架式结构体系，早期都是采用直线形式，近几年曲线形式的立体桁架以其建筑形式丰富在航站楼、会展中心中广泛应用，且一般都采用钢管相贯节点形式。
钢管相贯节点的计算、构造要求等应符合现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017的规定。
3.1.7 本条使设计人员可对不同的建筑选用最适宜的空间网格结构。
应注意网架与网壳在受力特性与支承条件方面有较大差异。
网架结构整体以承受弯曲内力为主，支承条件应提供竖向约束，水平约束可以放松；而网壳则以承受薄膜内力为主，支承条件一般都希望有水平约束，能可靠承受网壳结构的水平推力或水平切向力。
3.1.8 网架、双层网壳、立体桁架在计算时节点可采用铰接模型，并在网架与双层网壳的设计与制作中可采用接近铰接的螺栓球节点。
而单层网壳虽与双层网壳形式相似，但计算分析与节点构造截然不同，单层网壳是刚接或部分刚接体系，计算时杆件必须采用受弯梁单元，考虑6个自由度，且设计与构造上必须达到传递弯矩要求。
带旋转自由度的四边形平板壳单元
康澜;张其林
【期刊名称】《同济大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2009(037)002
【摘要】基于Kirchhoff假设,运用广义协调技术,将线位移和转角位移相互独立的位移场引入面内旋转自由度,构造出任意四边形4节点24自由度的平板壳单元;运用U.L.列式,建立了该单元的切线刚度矩阵.算例表明,该单元在板壳结构几何非线性分析中具有良好的精度,且能很好地解决梁单元和板壳单元的连接过渡问题.
【总页数】6页(P164-168,196)
【作者】康澜;张其林
【作者单位】同济大学,土木工程学院,上海,200092;同济大学,土木工程学院,上海,200092
【正文语种】中文
【中图分类】TU311.4
【相关文献】
1.基于带面内转角自由度四节点平板壳单元的板壳非线性分析 [J], 文颖;戴公连;曾庆元
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5.应用四边形十六自由度平板壳单元DKQ16分析板壳结构的稳定性 [J], 郑长良;李丽华;钟万勰
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湛江一中风雨球场钢索膜结构设计林景华【摘要】某球场顶棚为异形空间网格钢结构,主叶骨与所有次叶骨均参与受力而形成很好的空间整体,充分发挥所有杆件的贡献;边榀主钢管内灌混凝土,形成配重抵消部分负风压.通过正确理解结构的空间几何构造,大胆将桅杆立于摇摆柱之上并铰接连接,简化了结构构成,改善了建筑外观.针对建筑形态造成的杆件交汇,结构上有针对性地设计了多种特殊而合理的节点.【期刊名称】《广东土木与建筑》【年(卷),期】2015(022)012【总页数】5页(P10-13,6)【关键词】钢-索-膜结构;空间网格钢结构;桅杆;预应力拉索;配重抵消负风压【作者】林景华【作者单位】广东省建筑设计研究院广州510010【正文语种】中文1 项目概况湛江一中风雨球场改建项目位于该校原室外操场，建成后作为该校球类运动场地，同时兼作第14届省运会排球分会场，顶棚投影面积约4230m2，建成后的实景如图1所示。
该项目主体结构为钢-索-膜结合的空间结构，主要空间尺寸如下：平面长90m，宽42～52m，柱间跨度36.25m，结构顶棚高9～15m，桅杆顶高24m，如图2。
建筑抗震设防烈度为7度（0.10g），基本风压为0.95kNm（2n=100）。
图1 建筑现场实景图2 空间形态及主要尺寸2 建筑、结构方案创作过程本项目建筑设计方案按照亚热带地区常见的棕榈叶“仿生”而成，为实现该大跨度叶片结构，我们考虑沿横向起拱或沿纵向折叠的结构形式，而如果把这弧拱、折叠有机结合，并融入稳定的三角形元素，便形成了该形体的初步结构方案。
经过不断优化，最终由“棕榈叶”的叶茎演变成顶棚的雏形，通过弧拱、折叠、交叉拼合形成完整的具有良好“形效”的空间结构主骨架，再敷张拉膜作为顶棚围护体系。
顶棚的支承体系一侧采用圆拱柱，一侧采用摇摆柱+支墩。
在满足建筑整体轻盈感的要求下，结合场地特点，设置桅杆和拉索形成“自平衡”结构体系，如图3所示。
图3 结构骨架模型3 异形空间网格钢结构设计顶棚方案来自于“棕榈叶”骨架的交叉拼合，在探讨这一建筑外表骨架与结构受力骨架之间的逻辑关系时，考虑了仅主叶骨受力，主叶骨与少量次叶骨受力，主、次叶骨全部受力等3种方案，方案中未参与受力的次叶骨则考虑采用小直径圆铝管，以减轻自重。
空间网格结构第六章网架结构空间网架（格）结构是由许多杆件根据建筑形体要求，按照一定的规律进行布置，通过节点连接组成的一种网状的三维杆系结构，它具有三向受力的性能，故也称三向网架。
其各杆件之间相互支撑，具有较好的空间整体性，是一种高次超静定的空间结构，在节点荷载作用下，各杆件主要承受轴力，因而能够充分发挥材料强度，结构的技术经济指标较好。
空间网格结构的外形可以为平板状，也可以呈曲线状。
前者称为平板网架，常简称为网架；后者称为曲面网架或壳形网架结构，常简称为网壳。
6.1 概述网架结构在最近30年来得到了很大的发展，在国内外得到了广泛的应用。
网架结构平面布置灵活，空间造型美，便于建筑造型处理和装饰、装修，能适应不同跨度、不同平面形状、不同支承条件、不同功能需要的建筑物。
特别是在大、中跨度的屋盖结构中网架结构更显示出其优越性，被大量应用于大型体育建筑、公共建筑、工业建筑中，同时在一些小型建筑的屋盖中应用也比较广泛，如门厅、加油站、收费站、大型雨篷。
近年来，随着电子计算机的广泛应用和计算技术的发展，使网架结构的设计效率大大提高。
网架结构的施工安装和质量检测技术也日益提高，出现了许多专业生产厂家和公司，实现了设计、制作、安装一体化。
为网架结构推广普及提高了物质上和技术上的保证。
网架（平板）结构具有以下优点：1．网架为三向受力空间结构，比平面结构自重轻、节省钢材。
2．网架结构整体刚度大、稳定性好、安全储备高，能够有效地承受各种非对称荷载、集中荷载、动荷载的作用，对局部超载、施工时不同步提升和地基不均匀沉降等有较强的适应能力，并有良好的抗震整体性。
通过适当的连接构造，还能承受悬挂吊车及由于柱上吊车引起的水平总横向的刹车力作用。
网架（平板）结构具有以下优点：3．网架是一种无水平推力或拉力的空间结构，一般简支在制作上，这能使边梁大为简化，也便于下部承重结构的布置，构造简单，节省材料。
4．网架结构应用范围广泛，平面布置灵活，对于各种宽度的工业建筑、体育建筑、公共建筑，平面上不论是方形、矩形、多边形、圆形、扇形等都能进行合理的布置。
空间网格结构的回顾与发展——《空间网格结构》若干重点
内容介绍
约翰.奇尔顿;高立人
【期刊名称】《建筑结构》
【年(卷),期】2004(34)7
【摘要】回顾了空间网格结构的发展历程 ,总结了这种结构体系的分类 ,介绍了近3 0年来若干著名的空间网格工程实例 ,对可折叠空间网格、组合楼盖。
【总页数】7页(P65-71)
【关键词】空间网格结构;楼盖;可折叠空间;组合楼盖;张拉结构
【作者】约翰.奇尔顿;高立人
【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】TU35
【相关文献】
1.《空间网格结构技术规程》修订编制情况介绍 [J], 赵基达
2.空间网格结构螺栓球柱节点的介绍 [J], 钱震江
3.空间结构世界发展水平──简论1994年美国国际空间、网格及张拉结构会议 [J], 刘锡良
4.民用建筑工程设计常见问题分析及图示——砌体结构（05SG109-2）；混凝土
结构（05SG109—3）；钢结构和空间网格结构（05SG109-4） [J], 唐晓丽5.空间网格结构施工技术与管理中的若干问题 [J], 王剑波;张捷
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结构有限元分析中的网格划分技术及其应用实例结构有限元分析中的网格划分是否直接关系到解算的效果。
本文简述了网格划分应用的基本理论，并以空间自由曲面覆盖件和大型整体网络钢筋壳体产品的有限元分析中的网格划分为实例对象，详细讲述了空间自由和三维实体的网格划分基本理论及其在工程中的实际应用，非常具有现实意义和借鉴价值。
一、前言有限元网格划分是进行有限元数值模拟分析至关重要的一步，它直接影响着后续数值计算分析结果的精确性。
网格划分涉及单元的形状及其拓扑类型、单元类型、网格生成器的选择、网格的密度、单元的编号以及几何体素。
从几何表达上讲，梁和杆是相同的，从物理和数值求解上讲则是有区别的。
同理，平面应力和平面应变情况设计的单元求解方程也不相同。
在有限元数值求解中，单元的等效节点力、刚度矩阵、质量矩阵等均用数值积分生成，连续体单元以及壳、板、梁单元的面内均采用高斯（Gauss）积分，而壳、板、梁单元的厚度方向采用辛普生（Simpson）积分。
辛普生积分点的间隔是一定的，沿厚度分成奇数积分点。
由于不同单元的刚度矩阵不同，采用数值积分的求解方式不同，因此实际应用中，一定要采用合理的单元来模拟求解。
CAD软件中流行的实体建模包括基于特征的参数化建模和空间自由曲面混合造型两种方法。
Pro/E和S oildWorks是特征参数化造型的代表，而 CATIA与Unigraphics等则将特征参数化和空间自由曲面混合造型有机的结合起来。
现有CAD软件对表面形态的表示法已经大大超过了CAE软件，因此，在将CAD实体模型导入CAE软件的过程中，必须将CAD模型中其他表示法的表面形态转换到CAE软件的表示法上，转换精度的高低取决于接口程序的好坏。
在转换过程中，程序需要解决好几何图形（曲线与曲面的空间位置）和拓扑关系（各图形数据的逻辑关系）两个关键问题。
其中几何图形的传递相对容易实现，而图形间的拓扑关系容易出现传递失败的情况。
数据传递面临的一个重大挑战是，将导入CAE程序的CAD模型改造成适合有限元分析的网格模型。
目录第一章 空间网格结构体系简介与设计要点 (5)1.1 空间网格结构体系简介 (5)1.2 空间网格结构体系设计要点 (7)第二章 网架与网壳结构功能说明 (12)2.1 结构建模 (12)2.2 显示查询 (22)2.3 构件属性 (22)2.4 荷载编辑 (23)2.5 内力线性及非线性分析 (24)2.6 设计验算 (24)2.7 节点设计 (25)2.8 施工图 (41)第三章 桁架结构功能说明 (46)3.1 结构编辑 (46)3.2 显示查询 (49)3.3 构件属性 (49)3.4 荷载编辑 (49)3.5 内力线性及非线性分析 (50)3.6 设计验算 (50)3.7 桁架节点验算 (50)3.8 后处理 (53)3.9 施工图 (67)3.10 相贯加工 (70)第四章 屋架结构功能说明 (76)4.1 结构编辑 (76)4.2 杆件设计 (76)4.3 实体模型 (78)4.4 节点设计 (83)4.5 施工图 (86)第五章 例题 (95)5.1 螺栓球网架 (95)5.2 焊接球网架 (102)5.3 网架下部为橡胶支座带混凝土柱网架 (102)5.4 网架模块的加锥、及模型包络的功能例题 (107)5.5 网架模块加吊车、辅助孔以及基准孔拟合功能例题 (109)5.6 直线空间桁架 (112)5.7 曲线空间桁架 (118)5.8 四边形廊桥模型及出相贯下料数据 (121)5.9 部分相贯桁架节点 (127)5.10 钢网架设计与分析 (129)5.11 网架-框架混合结构分析与设计 (139)5.12 带橡胶支座的网架结构分析与设计 (145)第六章 空间网格建模常见问题 (148)第一章 空间网格结构体系简介与设计要点1.1空间网格结构体系简介空间网格结构(space frame structures)是空间结构的一种，也是我国空间结构中发展最快、应用最广的结构形式。
空间薄壁梁单元面向对象程序的实现
王晓峰;罗晓群;张其林
【期刊名称】《计算机辅助工程》
【年(卷),期】2012(21)2
【摘要】针对传统有限元分析软件主要面向过程设计,其可维护性和可扩展性等较差的问题,基于面向对象程序设计方法,建立具有内部节点的空间薄壁截面梁单元模型,给出线弹性空间薄壁梁单元的UML类图,介绍矩阵类、截面类、材料类、节点类、单元类和结构类等6种类成员的主要属性和方法.用C#编制相应的有限元程序,通过T形框架算例比较和验证其位移和弯曲转角计算值、理论解和ANSYS的BEAM 189梁单元的数值解,结果表明该程序精度良好,可用于空间薄壁结构的有限元分析.
【总页数】4页(P39-41,71)
【作者】王晓峰;罗晓群;张其林
【作者单位】北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044;同济大学土木工程学院,上海200092;同济大学土木工程学院,上海200092
【正文语种】中文
【中图分类】TU323.3;TP311.1
【相关文献】
1.考虑弯扭耦合的空间薄壁截面梁单元刚度矩阵 [J], 王晓峰;杨庆山
2.考虑横向和扭转剪切变形的空间薄壁梁单元 [J], 王晓峰;杨庆山;
3.空间闭口薄壁梁单元弹性模型 [J], 王晓峰;杨庆山
4.空间闭口薄壁梁单元弹性模型 [J], 王晓峰;杨庆山
5.新型空间薄壁梁单元 [J], 王晓峰;张其林;杨庆山
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新型空间薄壁梁单元
王晓峰;张其林;杨庆山
【期刊名称】《应用数学和力学》
【年(卷),期】2010()9
【摘要】基于Timoshenko梁理论和Vlasov薄壁杆件约束扭转理论,建立了具有内部结点的新型空间薄壁截面梁单元.通过对弯曲转角和翘曲角采取独立插值的方法,考虑了横向剪切变形,扭转剪切变形及其耦合作用,弯曲变形和扭转变形的耦合以及二次剪应力等因素影响,由Hellinger-Reiss-ner广义变分原理,推得单元刚度矩阵.算例表明所建模型具有良好的精度,可用于空间薄壁杆系结构的有限元分析.【总页数】12页(P1089-1100)
【关键词】空间梁;薄壁截面;刚度矩阵;剪切变形;弯扭耦合;二次剪应力
【作者】王晓峰;张其林;杨庆山
【作者单位】同济大学土木学院;北京交通大学土建学院
【正文语种】中文
【中图分类】TU323.3
【相关文献】
1.薄壁曲线箱梁空间分析的梁段单元 [J], 段海娟;赵人达
2.薄壁箱梁空间计算的板梁单元法 [J], 王荣辉;曾庆元
3.基于新型梁单元模型的薄壁弯梁耐撞性优化 [J], 漆维;张维刚;陈立娜;关晓洁
4.考虑横向和扭转剪切变形的空间薄壁梁单元 [J], 王晓峰;杨庆山;
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