工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模和動(dòng)力特性分析設(shè)計(jì)

工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模和動(dòng)力特性分析 1 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模和動(dòng)力特性分析 摘 要 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是較好的大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)形式，具有空間受力、剛度大、節(jié)省鋼 材、抗 振 性能好、建筑高度較小、造型美觀(guān)等。目前，已有大型體育館、展覽廳、影劇院、工業(yè)廠(chǎng)房、倉(cāng)庫(kù)等千余座工程的屋蓋采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，其廣泛的應(yīng)用前景促使人們對(duì)其展開(kāi)深入研究。本課題就是 將體育館網(wǎng)架 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為雙層網(wǎng)架結(jié)構(gòu) 模型 ，通過(guò) 有限元軟件 ANSYS 對(duì)其進(jìn)行分析 對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，對(duì)驗(yàn)證原設(shè)計(jì)和指導(dǎo)設(shè)計(jì)修改有重大的意義。 在本課題中 通過(guò) 有限元分析軟件 自 帶的 APDL 語(yǔ)言 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)架的參數(shù)化建模 ， 施加 約束及加載， 可以很有效的縮短網(wǎng)架的建模的時(shí)間，簡(jiǎn)化了網(wǎng)架的建模過(guò)程。 通過(guò) ANSYS 對(duì)網(wǎng)架在兩種不同的支承情況下的靜力分析 進(jìn)行比較，可發(fā)現(xiàn) 網(wǎng)架 的變形規(guī)律即 網(wǎng)架的變形在 X、 Y、 Z 方向都會(huì)交替出現(xiàn)，但在 Z 方向 為 主要變形。 同時(shí)桿件的內(nèi)力分布得出了不同約束時(shí)產(chǎn)生了變號(hào)，從而在工程實(shí)際施工中應(yīng)給予考慮。 用模態(tài)分析確定了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的十階模態(tài)振型及固有頻率， 便可以在設(shè)計(jì)與改進(jìn)時(shí)使網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的固有頻率避開(kāi)其在使用過(guò)程中的外部激振頻率。 同時(shí)為之后的 譜 響應(yīng)分析奠定基礎(chǔ)。 通過(guò)進(jìn)一步的隨機(jī)振動(dòng)譜分析，采用地震波對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算 ，找出 危險(xiǎn)點(diǎn)的響應(yīng)頻率 ，從而使 網(wǎng)架 在 工程實(shí)際情況中避免 易 產(chǎn)生共振 的頻率即網(wǎng)架的低階頻率 。 關(guān)鍵詞 ： 雙層網(wǎng)架；有限元法； 靜力分析； 模態(tài)分析； 譜分析 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模和動(dòng)力特性分析 2 Abstrat Grid structure is a good large-span roof structure, with space force, stiffness, to save steel and anti-vibration performance and the height of the building smaller and the shape of aesthetics, etc. At present, there are large stadium, exhibition hall, theaters, industrial plants Block, thousands of warehouse roof using the network structure, it is widely used to promote it， s conduct in-depth studies. This subject is about making grid structure of gymnasium simplify to double-layer grids model,using finite element software ANSYS to analysis,then pose the plan of improved structure according to the results .It has great meaning to test originaldesign and guide design modify. In self simultaneous APDL language realizes the net rack among the problem by the fact that finite element method analyses a software parameterization build a model, Exert constraint and loading , can be effective shortening the process having covered the time building a model as with a net , having simplified covering a rack as with a net to build a model. Analyse the comparison being in progress by the fact that ANSYS puts up static force under two kinds different supporting condition to the net, Network can be found deformation that the grid deformation in X, Y, Z direction will take turns, But in Z direction as the main deformation. Meanwhile bar distribution of internal forces come to different constraints arising from the change, so the actual construction works should be considered. Using modal analysis to determine the grid structure of the 10-modal shape and natural frequency, we will be able to design and make improvements to the grid structure to avoid its natural frequency in the course of the external excitation frequency. After the same time as the harmonic response lay the foundation for analysis. Through further random vibration spectrum analysis, seismic wave of network structure, identify dangerous spots response frequency, so that the network in practical situations to avoid easy resonance frequency that grid of the lower frequency. 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模和動(dòng)力特性分析 3 Key word:Double-layer grids； Finite element method； Static； Mode analysis；Spectrum analysis 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模和動(dòng)力特性分析 4 目 錄 第一章 緒 論 . 5 . 前 言 . 5 . 課題背景 . 6 . 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的概況及發(fā)展方向 . 7 . 有限元法的概述 . 9 1.4.1 有限元法發(fā)展概況 . 9 1.4.2 有限元法的基本理論 . 9 第二章 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 . 10 2.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的幾何不變性分析 . 10 2.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的形式 .11 2.3 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù) . 16 第三章 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的有限元分析 . 17 3.1 有限元軟件的發(fā)展趨勢(shì) . 17 3.2 有限元分析軟件 ANSYS . 17 3.3 有限元進(jìn)行工程分析的一般過(guò)程 . 20 第四章 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模及動(dòng)力特性分析 . 20 4.1 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的有限元建模 . 20 4.1.1 模型簡(jiǎn)化與假設(shè) . 20 4.1.2 單元簡(jiǎn)介 . 21 4.1.3 實(shí)常數(shù)的確定 . 21 4.1.4 確定建 模方案 . 21 4.2 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的靜力分析 . 22 4.2.1 線(xiàn)性靜力學(xué)分析概述 . 22 4.2.2 結(jié)構(gòu)靜力 計(jì)算 . 23 4.2.3 施加約束和加載 . 23 4.2.4 求解及后處理 . 25 4.3 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析 . 31 4.3.1 模態(tài)分析理論基礎(chǔ) . 31 4.3.2 模態(tài)分析基本理論 . 32 4.3.3 網(wǎng)架有限元模態(tài)分析 . 33 4.4 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的譜分析 . 36 4.4.1 基本假定網(wǎng)架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析的基本原理 . 36 4.4.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析 . 36 4.4.3 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動(dòng)譜分析 . 37 結(jié) 論 . 40 附 錄 . 42 后 記 . 45 主要參考文獻(xiàn) . 46 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模和動(dòng)力特性分析 5 第一章 緒 論 . 前 言 隨著人類(lèi)物質(zhì)文明與精神文明的發(fā)展與提高，空間結(jié)構(gòu)越來(lái)越受到人們的青睬 。 二十世紀(jì)以來(lái)，在全世界范圍內(nèi)空間結(jié)構(gòu)都得到了很大的發(fā)展 。 空間結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)一個(gè)世紀(jì)的不斷發(fā)展，在結(jié)構(gòu)形式方面，除了網(wǎng)架、網(wǎng)殼之外，膜 結(jié)構(gòu)、張拉整體體系、開(kāi) 閉屋蓋、可折疊結(jié)構(gòu)等都是空間結(jié)構(gòu)的新成員 。 在空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以其造型美觀(guān)、整體剛度好 、 抗振性能好、制造安裝方便、能較好滿(mǎn)足多功能需要等特點(diǎn)，在體育館、展覽廳、影劇院、工業(yè)廠(chǎng)房、倉(cāng)庫(kù)、飛機(jī)庫(kù)等各類(lèi)建筑中獲得了廣泛的應(yīng)用，從而在空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中占有重要的地位。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)日趨成熟，網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)規(guī)模不斷擴(kuò)大，不論在工程實(shí)踐還是在理論研究方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。 本篇論文就選擇了雙層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作為研究。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是采用大致相同的格子或尺寸較小的單元有規(guī)律的布置而組成的空間桿系結(jié)構(gòu)。桿件主要承受軸力作用，截 面尺寸相對(duì)較小，這些空間交叉的桿件又互為支撐，將受力桿件與支持系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)， 因而用才經(jīng)濟(jì)，具有良好的空間受力性能。由于結(jié)構(gòu)組成的規(guī)律性，大量桿件和節(jié)點(diǎn)的形狀、尺寸相同，利于工廠(chǎng)成批生 產(chǎn)，促成了經(jīng)濟(jì)的大跨度網(wǎng)架的出現(xiàn)。 目前，由于計(jì)算機(jī)的推廣與大量應(yīng)用，及網(wǎng)架體系在一定假設(shè)基礎(chǔ)上的日 益 完善，有限元法成為最主要的計(jì)算方法。它適用于分析各類(lèi)型網(wǎng)架，可考慮不同邊界條件和支撐方式，承受任意載荷，網(wǎng)架與下部支撐的共同作用。 有限元技術(shù)已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)輔助分析的核心。用 CAE方法可以減少或避免物理測(cè)試過(guò)程，通過(guò)計(jì)算機(jī) 模擬各種載荷工況下零件或結(jié)構(gòu)的工作狀況，準(zhǔn)確計(jì)算其變形和應(yīng)力，使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段就能夠?qū)ζ涓黜?xiàng)性能進(jìn)行評(píng)估，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上存在的問(wèn)題，從而大大縮減設(shè)計(jì)研發(fā)周期。 ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、聲學(xué) 與 一體，以 有限元分析為基礎(chǔ)的大型通用 CAE軟件，可廣泛應(yīng)用與機(jī)械制造、石油化、輕工、造船、航天航汽車(chē)交通、電子、土木工程、水利、鐵道、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。 它具有強(qiáng)大而廣泛的分析功能、一體化的處理技術(shù)?；诖?，本課題選用了雙層網(wǎng)架作為研究對(duì)象，采用了美國(guó)建筑結(jié)構(gòu)三維有限元分析軟件 ANSYS軟件作為研究工具 ， 首先在 ANSYS中建立了網(wǎng)架的參數(shù)化模型，然后進(jìn)行靜、動(dòng)力特性分析，以找出桿件內(nèi)力分布、變形規(guī)律、固有頻率及在地震作用下的位移響應(yīng)。對(duì)驗(yàn)證原設(shè)計(jì)和指導(dǎo)設(shè)計(jì)修改有重大的意義。 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模和動(dòng)力特性分析 6 . 課題背景 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是一種高次超靜定的空間結(jié)構(gòu)，在國(guó)內(nèi)外大跨度建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于工程實(shí)際來(lái)講，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案應(yīng)當(dāng)是經(jīng)濟(jì)合理的，因此只有采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法才能較好地適應(yīng)這方面的要求。而近年來(lái)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)倒塌事故的發(fā)生，使得人們對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性行為的研究產(chǎn)生了濃厚的興趣。由于它們的倒塌是突然發(fā)生的，因此在破壞前無(wú)明顯預(yù)兆?？臻g網(wǎng)架 的這種“脆性行為”已由一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析所證實(shí)。因此要想全面地描述網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的性能，以使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有足夠的可靠性，必須分析網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的極限行為 ,從而達(dá)到在優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上提高結(jié)構(gòu)安全度的目的。這對(duì)于實(shí)際工程來(lái)說(shuō)具有非常重要的意義。 在工程網(wǎng)架的設(shè)計(jì)過(guò)程中將優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行極限分析就可以得到結(jié)構(gòu)的極限承載力，而在極限分析的基礎(chǔ)上增大一些桿件的面積，則可以提高結(jié)構(gòu)的極限承載力，但從極限設(shè)計(jì)的角度來(lái)說(shuō)，按線(xiàn)彈性理論所進(jìn)行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)并不是一個(gè)最好的結(jié)果，結(jié)構(gòu)尚具有很大的承載潛力。 因此可以將結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、地震響應(yīng)分 析和極限分析相結(jié)合并使截面調(diào)整過(guò)程自動(dòng)化來(lái)對(duì)整個(gè)動(dòng)力特性進(jìn)行分析。 目前可以用多種方法對(duì)建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)進(jìn)行反演，包括理論方法、實(shí)驗(yàn)方法，理論和實(shí)驗(yàn)相合的方法以及計(jì)算機(jī)仿真。 通過(guò)本課題的研究，試圖建立一種參數(shù)化的有限元模型，通過(guò)模態(tài)分析，找出這種類(lèi)型的空間網(wǎng)架的固有頻率和模態(tài)振型，以便在設(shè)計(jì)和改進(jìn)時(shí)使網(wǎng)架的固有頻率避開(kāi)其使用過(guò)程中的外部激勵(lì)頻率。 我國(guó)對(duì)網(wǎng)架的研究上也取得了一定的研究成果，如三角錐網(wǎng)架的壓桿穩(wěn)定性能試驗(yàn)研究等。但對(duì)建立網(wǎng)架的參數(shù)化有限元模型等研究，現(xiàn)有文獻(xiàn)記錄較少。因此，本課題的研究有 一定的前沿性。且與生產(chǎn)實(shí)踐密切相關(guān)，有較好的應(yīng)用前景。 本課題來(lái)自網(wǎng)架施工單位，在保證安全的前提下，提高設(shè)計(jì)效率，降低成本是現(xiàn)代企業(yè)的目標(biāo)。目前，空間網(wǎng)架的發(fā)展主要?jiǎng)酉蚴菍?shí)現(xiàn)最優(yōu)化（采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、輕量化、通用化、系列化；國(guó)外空間網(wǎng)架的設(shè)計(jì)施工和發(fā)展迅速，技術(shù)水平不斷提高。而國(guó)內(nèi)很多單位仍沿用傳通的設(shè)計(jì)方法，周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)效率低。如采用有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，可減去測(cè)試過(guò)程，大大縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率，降低成本。因此本課題的研究對(duì)工程實(shí)踐有著十分重要的意義。 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模和動(dòng)力特性分析 7 . 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的概況及發(fā)展方向 二 十世紀(jì)以來(lái)，在全世界范圍內(nèi)空間結(jié)構(gòu)都得到了很大的發(fā)展?？臻g網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的一種，所謂“空間結(jié)構(gòu)”是相對(duì)“平面結(jié)構(gòu)”而言，它具有三維作用的特性，空間結(jié)構(gòu)也可以看作平面結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展和深化?？臻g結(jié)構(gòu)問(wèn)世以來(lái)，以其高效的受力性能、新穎美觀(guān)的形式和快速方便的施工受到人們的歡迎。在需要大跨度、大空間的體育場(chǎng)館、會(huì)展中心、文化設(shè)施、交通樞紐乃至工業(yè)廠(chǎng)房，無(wú)不見(jiàn)到空間結(jié)構(gòu)的蹤影。 二十世紀(jì)初期，鋼鐵材料為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了條件，其后的鋁合金則使得網(wǎng)架的桿件更輕巧。近些年來(lái)的復(fù)合材料，特別是大量的新型建筑材料被開(kāi)發(fā)出 來(lái)，對(duì)空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展產(chǎn)生了強(qiáng)烈的影響。材料應(yīng)用方面由于鋼材品種與強(qiáng)度的不斷提升，空間結(jié)構(gòu)也越多地采用了型鋼、鋼管、鋼棒、纜索乃至鑄鋼制品。在很大程度上，空間結(jié)構(gòu)成了“空間鋼結(jié)構(gòu)”。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，一些新的理論和分析方法，如有限單元法、非線(xiàn)形分析、動(dòng)力分析等，在空間結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用，以至空間結(jié)構(gòu)的計(jì)算和設(shè)計(jì)更加方便和準(zhǔn)確，使得空間結(jié)構(gòu)現(xiàn)在千變?nèi)f化，種類(lèi)多樣?？梢哉f(shuō)空間結(jié)構(gòu)已成為當(dāng)代建筑結(jié)構(gòu)最重要和最活躍的領(lǐng)域之一。 自從 50年代以來(lái)，中國(guó)在空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，不論是工程應(yīng)用或理論研究方面均 在國(guó)際上占有一席 之地，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍與面積已位居世界各國(guó)前列，像首都體育館、 上海體育館這樣萬(wàn)人級(jí)的體育館仍是大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中的佼佼者，近年來(lái)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)逐漸興起，在體育館建設(shè)中頗有取代網(wǎng)架之勢(shì)。天津市體育館的雙層球形網(wǎng)殼，直徑有 135m，黑龍江速滑館的主體結(jié)構(gòu)采用由中央圓柱面與兩端半圓球面組成的雙層網(wǎng)殼，其輪廓尺寸為 86.2m 191.2m。 中國(guó)的懸索結(jié)構(gòu)早在 60年代即已起步 ,當(dāng)時(shí)曾建造了直徑 94m的圓形雙層懸索 ,用于北京工人體育館 。 其后在安徽體育館等工程上采用的橫向加勁懸索體系 ,以及在吉林滑冰館采用的空間 雙層索 體 系 ,都體現(xiàn)了中國(guó)在這方面的創(chuàng)新 。 相形之下 ,同屬于張拉體系的膜結(jié)構(gòu) ,在中國(guó)的發(fā)展還比較落后 。 但最近建成的上海體育場(chǎng)馬鞍形看臺(tái)挑蓬 ,采用懸挑鋼桁架覆以傘形膜材 ,是中國(guó)的第一個(gè)大跨度膜結(jié)構(gòu) ,雖然其技術(shù)與材料主要還依靠國(guó)外 ,但對(duì)中國(guó)膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展必然將起推動(dòng)作用 。 值得提出的是 ,中國(guó)在制定空間結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范的工作上在世界上是獨(dú)樹(shù)一幟的 ,有關(guān)薄殼、網(wǎng)架、網(wǎng)殼、懸索等的規(guī)程與標(biāo)準(zhǔn) ,有的已經(jīng)頒發(fā) ,有的正在編制 ,這些技術(shù)文件是中國(guó)在空間領(lǐng)域內(nèi)工程實(shí)踐和科研成果的結(jié)晶 。 展望未來(lái) ,中國(guó)正沿著改革開(kāi)放道路闊步前進(jìn) ,隨著交流的 進(jìn)一步擴(kuò)大 ,必將建設(shè)更多的體育、展覽、會(huì)議和機(jī)場(chǎng)建筑 .這將為空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供一個(gè)好的機(jī)會(huì) 。 經(jīng)驗(yàn)證明 ,為 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模和動(dòng)力特性分析 8 了推動(dòng)應(yīng)用 ,相應(yīng)的理論研究是必不可少的 ,過(guò)去 ,這些工作也有必要繼續(xù)進(jìn)行下去 ,以冀空間結(jié)構(gòu)不斷獲得理論儲(chǔ)備 。 根據(jù)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn) ,還有兩個(gè)薄弱環(huán)節(jié)嚴(yán)重地影響著中國(guó)空間結(jié)構(gòu)的向前發(fā)展 ,即結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)防護(hù) ,必需及早扭轉(zhuǎn)目前的被動(dòng)局面 。 在過(guò)去幾十年中，空間結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)形式、材料、設(shè)計(jì)方法與施工工藝上都獲得了突破性的進(jìn)展，在一些重大的、特別是標(biāo)志性的工程中，無(wú)不見(jiàn)到空間鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。大跨度結(jié)構(gòu)的建造及其所采用的技術(shù)往往 反映了一個(gè)國(guó)家建筑技術(shù)的水平，一些規(guī)模宏大、形式新穎、技術(shù)先進(jìn)的大型空間結(jié)構(gòu)已成為一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和建設(shè)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。衡量建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)水平的一個(gè)標(biāo)志是它的跨度與面積，一般來(lái)說(shuō)，跨度或面積越大，技術(shù)也越復(fù)雜?？v觀(guān)空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史，它的跨度與面積也有不斷增大的趨勢(shì)。當(dāng)今世界上二百多米跨度的體育館或飛機(jī)庫(kù)、幾萬(wàn)平方米的展覽館或工業(yè)廠(chǎng)房都通過(guò)采用空間鋼結(jié)構(gòu)而使之實(shí)現(xiàn)。從技術(shù)上來(lái)看，建筑更大跨度的空間鋼結(jié)構(gòu)是完全可能的， 像 在橋梁方面，日本已建成跨越明石海峽、跨度達(dá) 56694的鋼懸索橋，因此，要建造類(lèi)似跨度的建 筑物是具備一定條件的。然而從目前使用上看，要求大跨度的建筑物，如體育館、飛機(jī)庫(kù)等有一百多米甚至二百多米已能滿(mǎn)足要求。因此，對(duì)于傳統(tǒng)的建筑，今后空間結(jié)構(gòu)主要還是在一二百米的跨度、幾萬(wàn)平方米面積的范圍的發(fā)展。結(jié)構(gòu)的“雜交”將是今后空間鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展和創(chuàng)新的重要途徑，它是將不同類(lèi)型的結(jié)構(gòu)加以組合而形成一種新的結(jié)構(gòu)體系。例如懸索、索網(wǎng)或膜利于受拉，拱、殼體或網(wǎng)殼利于受壓，而梁、桁架或網(wǎng)架則利于受彎，如果利用其中某種類(lèi)型結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)處來(lái)避免或抵消另一種與之組合的結(jié)構(gòu)的短處，就能大大改進(jìn)結(jié)構(gòu)受力性能。最簡(jiǎn)單的例子是大跨度桁架與 斜拉索的組合，它既能發(fā)揮高強(qiáng)度鋼索抗拉的特點(diǎn)，又為桁架增加了支點(diǎn)、縮短了跨度。前面提到的橫向加勁索系和索穹頂也都是雜交結(jié)構(gòu)的范例。人類(lèi)對(duì)建筑圍護(hù)的使用要求是沒(méi)有止境的，大跨度的空間一旦被封閉起來(lái)，人們又期望一個(gè)接近大自然的露天環(huán)境。例如體育場(chǎng)或人工海洋館，在晴好天氣要求屋蓋能打開(kāi)成為露天的，而遇到陰冷的天氣，屋蓋又能閉合成為室內(nèi)的，這就要求從一個(gè)靜止的結(jié)構(gòu)變?yōu)榭蓜?dòng)的結(jié)構(gòu)，給大跨度結(jié)構(gòu)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，開(kāi)閉結(jié)構(gòu)便應(yīng)運(yùn)而生。這種結(jié)構(gòu)基本上分為兩種形式，一種以鋼骨架作為承重結(jié)構(gòu)，以金屬板、玻璃、塑料或膜材圍護(hù)。屋蓋 以平移、旋轉(zhuǎn)或上下疊合來(lái)進(jìn)行開(kāi)閉。加拿大多倫多“天空穹頂”體育館是當(dāng)前世界上跨度最大的開(kāi)閉結(jié)構(gòu)，屋蓋由三個(gè)扇形聯(lián)方網(wǎng)殼形成，其中最下一層網(wǎng)殼為固定，上中兩層的網(wǎng)殼則沿著圓周的軌道旋轉(zhuǎn)。另一種開(kāi)閉結(jié)構(gòu)采用可折疊膜材為屋蓋，其折疊的方式視建筑物形狀而定。如為方形或矩形，膜材可平行或沿四周展開(kāi)或收縮，如為圓形，則可自中心支點(diǎn)或沿圓周伸縮。中國(guó)是一個(gè)文明古國(guó)，地上地下存在著無(wú)數(shù)珍貴的古建筑與古墓葬，一些大型古跡的開(kāi)挖和保護(hù)就需要一個(gè)與外界隔絕的環(huán)境。西安秦俑博物館二號(hào)坑 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模和動(dòng)力特性分析 9 就是在其上建造了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)之后，使得開(kāi)挖工作得以 進(jìn)行。北京老山漢墓的發(fā)掘，也得益于覆蓋以金屬拱型波紋屋頂。因此，一旦空間鋼結(jié)構(gòu)跨越了傳統(tǒng)的建筑功能，步入巨型結(jié)構(gòu)的行列，則跨度與面積就會(huì)有新的突破，跨度達(dá)到上千米、面積達(dá)到方圓幾平方公里，這些都可能在二十一世紀(jì)得到實(shí)現(xiàn)。 . 有限元法 的概述 1.4.1 有限元法發(fā)展概況 1956 年， Tuner， Clouh 等人將剛架位移法推廣應(yīng)用于彈性力學(xué)平面問(wèn)題，并用于分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)，這是現(xiàn)代有限 元 法第一次成功的嘗試。他們第一次給出了用三角形單元求解平面應(yīng)力問(wèn)題的正確解答，其研究 工 作打開(kāi)了利用計(jì)算機(jī)求解復(fù)雜平面問(wèn)題的新局 面。1963 1964 年， Besseling、 Melosh 和 Jones 等證明有限單元法是基于變分原理的 Ritz法的另一種形式，從而使 Ritz 分析的所有理論基礎(chǔ)都適用于有限元法，確認(rèn)了有限元法是處理連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題的一種普遍方法。 幾十年來(lái)，有限元法的應(yīng)用己由彈性力學(xué)平面問(wèn)題擴(kuò)展到空間問(wèn)題、板殼問(wèn)題，由靜力平衡問(wèn)題擴(kuò)展到穩(wěn)定問(wèn)題、動(dòng)力問(wèn)題和波動(dòng)問(wèn)題；分析的對(duì)象從彈性材料擴(kuò)展到塑性、粘塑性和復(fù)合材料等 ;從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)等連續(xù)介質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域。在 工 程分析中的作用己從分析比較擴(kuò)展到優(yōu)化設(shè)計(jì)并和 CAD(計(jì)算機(jī) 輔助設(shè)計(jì) )結(jié)合越來(lái)越緊密。 有限元分析理論的逐步成熟 主 要經(jīng)歷了 60 年代的探索發(fā)展時(shí)期， 70 80 年代的獨(dú)立發(fā)展應(yīng)用時(shí)期和 90年代與 CAD相輔相成的共同發(fā)展 推廣 使用時(shí)期 。 有限 元 分析作為一種強(qiáng)有力的數(shù)值分析方法，在結(jié)構(gòu)分析和仿真計(jì)算中有著極大的應(yīng)用價(jià)值 。 目前，結(jié)構(gòu)仿真中的靜力分析、動(dòng)力分析、穩(wěn)定性計(jì)算，特別是結(jié)構(gòu)的線(xiàn)性、非線(xiàn)性分析 (幾何、材料非線(xiàn)性 )、屈曲分析等，都可以借助十大型的有限 元 分析軟件如MSG/NASTRAN， ANSYS等進(jìn)行 。 其中， MSG/NASTRAN 在結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析、空氣動(dòng)力彈性及顫振分析、復(fù)合 材料分析等方 面 有較強(qiáng)的功能，在對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析、穩(wěn)定性分析及風(fēng)振分析方 面 有極大的優(yōu)勢(shì) 。 1.4.2 有限元法的基本理論 有限元法是一種以電子計(jì)算機(jī)為工具，解決場(chǎng)的問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算方法。它是伴隨著電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)與普及而迅速發(fā)展起來(lái)的數(shù)值計(jì)算方法，是廣大科技工作者、工程技術(shù)人 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模和動(dòng)力特性分析 10 員從事科學(xué)研究和工程計(jì)算強(qiáng)有力的工具，其基本思想可以分為以下三個(gè)方面 17： 1、假想把連續(xù)系統(tǒng) (包括桿系、連續(xù)體、連續(xù)介質(zhì) )分割成數(shù)目有限的單元，單元之間只在數(shù)目有限的指定點(diǎn) (稱(chēng)為節(jié)點(diǎn) )處相互連接，構(gòu)成一個(gè)單元集合體來(lái)代替原來(lái)的連續(xù)系統(tǒng) 。在節(jié)點(diǎn)上引進(jìn)等效載荷 (或邊界條件 )，代替實(shí)際作用于系統(tǒng)上的外載荷 (或邊界條件 )。 2、對(duì)每個(gè)單元由分塊近似的思想，按一定的規(guī)則 (由力學(xué)關(guān)系或選擇一個(gè)簡(jiǎn)單函數(shù) )建立求解未知 t與節(jié)點(diǎn)相互作用 (力 )之間的關(guān)系 (力一位移、熱 度 一溫度、電壓一電流等 )。 3、 把所有單元的這種特性關(guān)系按一定的條件 (變形協(xié)調(diào)條件、連續(xù)條件或變分原理及能量原理 )集合起來(lái)，引 入 邊界條件，構(gòu)成一組以節(jié)點(diǎn)變 f(位移、溫度、電壓等 )為未知 t的代數(shù)方程組，求解該方程組就可以得到有限個(gè)節(jié)點(diǎn)處的待求變 t。 所以，有限元法實(shí)質(zhì)上是把具有無(wú)限個(gè)自由度的連續(xù)系 統(tǒng)，理想化為只有有限個(gè)自由度的單元集合體，使問(wèn)題轉(zhuǎn)化為適合于數(shù)值求解的結(jié)構(gòu)型問(wèn)題。 有限元法與其他常規(guī)力學(xué)方法相比，具有許多優(yōu)越性 ； 1、 可以分析形狀復(fù)雜的、非均質(zhì)的各種實(shí)際的工程結(jié)構(gòu) ； 2、 可在計(jì)算中模擬復(fù)雜的材料結(jié)構(gòu)關(guān)系、荷載和條件 ； 3、 可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析 ； 4、 由于前處理和后處理技術(shù)的發(fā)展，可以進(jìn)行大 t方案的比較分析 。 第二章 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 2.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的幾何不變性分析 7 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是一個(gè)空間鉸接桿系結(jié)構(gòu)，在任意外力作用下不允許幾何可變，故必須 進(jìn)行結(jié)構(gòu)幾何不變性分析，以保證結(jié)構(gòu)的幾何不變。 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的幾何不變性分析必須滿(mǎn)足四個(gè)條件，一是具有必要的約束數(shù)量，如不具備必要的約束數(shù)量，結(jié)構(gòu)肯定是可變體系，此條件稱(chēng)為必要條件；二是約束分置方式要合理，如約束分置不合理，即使?jié)M足必要條件，結(jié)構(gòu)仍有可能是可變體系，此條件稱(chēng)為充分條件。 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度，它的必要條件是 : W=3J-B-S O 式中 B 網(wǎng)架的桿件數(shù)； S 支座的約束桿數(shù)， S 6； 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模和動(dòng)力特性分析 11 J 網(wǎng)架的節(jié)點(diǎn)數(shù)。 由此可見(jiàn) ： 當(dāng) W0時(shí)該網(wǎng)架為幾何可變體系 ； W=0時(shí)該網(wǎng)架無(wú)多余桿件， 如桿件布置合理，該網(wǎng)架為靜定結(jié)構(gòu) ； W60m)，且建筑平面為三角形、六邊形、多邊形和圓形，當(dāng)用于圓形平面時(shí)，周邊將出現(xiàn)一些非正三角形網(wǎng)格。 2.四角錐體系網(wǎng)架 四角錐體系網(wǎng)架是由許多四角錐按一定規(guī)律組成的，組成的基本單元為倒置四角錐，如圖 2.5。 這類(lèi)網(wǎng)架上、下平面均為方形網(wǎng)格，下弦節(jié)點(diǎn)均在上弦網(wǎng)格形心的投影線(xiàn)上，用斜腹桿與上弦網(wǎng)格的四個(gè)節(jié)點(diǎn)相連。若改變上、下弦錯(cuò)開(kāi)的平移值，或相對(duì)的旋轉(zhuǎn)上、下弦桿，并適當(dāng)?shù)某槿ヒ恍┫覘U和腹 桿，即可獲得各種形式的四角錐網(wǎng)架。 這種網(wǎng)架共有六種形式。 (1)正放四角錐網(wǎng)架 正放四角錐網(wǎng)架是由倒置的四角錐體為組成單元，錐底的四邊為網(wǎng)架上弦桿，錐 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模和動(dòng)力特性分析 14 棱為腹桿，各錐頂相連即為下弦桿，建筑平面為矩形時(shí)，上、下弦桿均與邊界平行 (垂直 )。 (2)正放抽空四角錐網(wǎng)架 正放抽空四角錐網(wǎng)架是在正放四角錐網(wǎng) 架基礎(chǔ)上，適當(dāng)抽掉一些四角錐單元中的腹桿和下弦桿，使下弦網(wǎng)格尺寸比上弦網(wǎng)格尺寸大一倍。 這種網(wǎng)架的桿件數(shù)量少，腹桿總數(shù)為正 圖 2.5四角錐體系基本單元 放四角錐網(wǎng)架腹桿總數(shù)的 3 4左 右，下弦 減少 1 2左右 ，故構(gòu)造簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)效果較好。由于周邊網(wǎng)格不宜抽桿，兩個(gè)方向網(wǎng)格數(shù)宜取 為奇數(shù)。如果取 h=22s，則上、下弦桿和腹桿長(zhǎng)度相等。 (3)單向折線(xiàn)形網(wǎng)架 單向折線(xiàn)形網(wǎng)架是將正放四角錐網(wǎng)架取消縱向的上、下弦桿，保留周邊一圈縱向上弦桿而組成的網(wǎng)架。 這種網(wǎng)架用于周邊支承，且長(zhǎng)寬比大于 3 或兩邊支承的情況，可以獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益。 (4)斜放四角錐網(wǎng)架 斜放四角錐網(wǎng)架也是由倒置四角錐組成的，上弦網(wǎng)格呈正交斜放，下弦 斜放四角錐網(wǎng)架也是由倒置四角錐組成的，上弦網(wǎng)格呈正 交斜放，下弦網(wǎng)格呈正交正放；也就是下弦桿與邊界垂直 (或平行 )，上弦桿與邊界成 45 夾角。 這種網(wǎng)架的上弦桿長(zhǎng)度等于下弦桿長(zhǎng)度的 2 /2倍。在周邊支承情況下，上弦桿受壓，下弦桿受拉，該網(wǎng)架體現(xiàn)了長(zhǎng)桿受拉、短桿受壓的原則，因而桿件受力合理。此外，節(jié)點(diǎn)處匯交的桿件相對(duì)較少 (上弦節(jié)點(diǎn) 6根，下弦節(jié)點(diǎn) 8根 )。當(dāng)網(wǎng)架高度為下弦桿長(zhǎng)度的一半時(shí)，上弦桿與斜腹桿等長(zhǎng)。 這種網(wǎng)架適用于周邊支承情況，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單，桿件受力合理，用鋼量省，也是國(guó)內(nèi)工程 中應(yīng)用較多的一種形式。 (5)棋盤(pán)形四角錐網(wǎng)架 棋盤(pán)形四角錐網(wǎng)架是由于其形狀與國(guó)際象棋的棋盤(pán)相似而得名的。在正放四角錐基礎(chǔ)上，除周邊四角錐不變外，中間四角錐間格抽空，下弦桿呈正交斜放，上弦桿呈正交正放， 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模和動(dòng)力特性分析 15 下弦桿與邊界成 45 夾角，上弦桿與邊界垂直 (或平行 )。也可理解為將斜放四角錐網(wǎng)架繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng) 45 而成。 這種網(wǎng)架也具有上弦短下弦長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，且節(jié)點(diǎn)上匯交桿件少，用鋼量省，屋面板規(guī)格單一，空間剛度比斜放四角錐好。它適用于周邊 支承情況。 (6)星形四角錐網(wǎng)架 星形四角錐網(wǎng)架是由兩個(gè)倒置的三角形小析架相互交叉而成的兩個(gè)小朽架的底邊構(gòu)成網(wǎng)架的上弦，上弦正交斜放，各單元頂點(diǎn)相連即為下弦，下弦正交正放，在兩個(gè)小析架交匯處設(shè)有豎桿，斜腹桿與上弦桿在同一平面內(nèi)。 這種網(wǎng)架也具有上弦短下弦長(zhǎng)的特點(diǎn)，桿件受力合理。當(dāng)網(wǎng)架高度等于上弦桿長(zhǎng)度時(shí)，上弦桿與豎桿等長(zhǎng)，斜腹桿與下弦桿等長(zhǎng)。 這種網(wǎng)架適用于周邊支承情況。 3.三角錐體系網(wǎng)架 三角錐體系網(wǎng)架是由倒置三角錐組成的。組成基本單元為三角錐，見(jiàn)圖 2.6。錐底的三條邊，即網(wǎng)架的上弦桿，組成正三角形，棱邊即為網(wǎng)架 腹桿，錐頂用桿件相連，即為網(wǎng)架下弦桿。三角錐體是組成空間結(jié)構(gòu)幾何不變的最小單元。隨三角錐體布置不同，可獲得各類(lèi)三角錐網(wǎng)架。 這種類(lèi)型的網(wǎng)架共有三種。 (1)三角錐網(wǎng)架 三角錐網(wǎng)架是由倒置的三角錐體組合而成。上、下弦平面均為正三角形網(wǎng)格。下弦三角形的頂點(diǎn)在上弦三角形網(wǎng)格的形心投影上。 三角錐網(wǎng)架受力比較均勻，整體抗扭、抗彎剛度好，如果取網(wǎng)架高度為網(wǎng)格尺寸的了五萬(wàn)倍。則網(wǎng)架的上、下弦桿和腹桿等長(zhǎng)。上、下弦節(jié)點(diǎn)處匯交桿件 圖 2.6三角錐體系基本單元 數(shù)均為 9根，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造類(lèi)型統(tǒng)三角錐網(wǎng)架一般適用于大中跨度及重屋蓋的建筑，當(dāng)建筑平面為三角形、六邊形或圓形時(shí)最為適宜。 (2)抽空三角錐網(wǎng)架 抽空三角錐網(wǎng)架是在三角錐網(wǎng)架基礎(chǔ)上，適當(dāng)抽去一些三角錐中的腹桿和下弦桿，使上弦網(wǎng)格仍為三角形，下弦網(wǎng)格為三角形及六邊形的組合或均為六邊形組合。前者抽錐規(guī)律是 :沿網(wǎng)架周邊一圈的網(wǎng)格均不抽錐，內(nèi)部從 第二圈開(kāi)始沿三個(gè)方向間隔一個(gè)網(wǎng)格抽掉一個(gè)三角錐 。后者即從周邊網(wǎng)格就開(kāi)始抽錐，沿三個(gè)方向間隔兩個(gè)錐抽一個(gè)。 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模和動(dòng)力特性分析 16 抽空三角錐網(wǎng)架抽掉桿件較多，整體剛度不如三角錐網(wǎng)架，適用 于中小跨度的三角形、六邊形和圓形的建筑平面。 (1)蜂窩形三角錐網(wǎng)架 蜂窩形三角錐網(wǎng)架是由倒置三角錐按照一定規(guī)律排列組合而成的，上弦網(wǎng)格為三角形和六邊形，下弦網(wǎng)格為六邊形。 這種網(wǎng)架的上弦桿較短，下弦桿較長(zhǎng)，受力合理。每個(gè)節(jié)點(diǎn)均只匯交 6根桿件，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造統(tǒng)一，用鋼量省。 蜂窩形三角錐網(wǎng)架從本身來(lái)講是集合可變的，它需要借助于支座水平約束來(lái)保證其幾何不變性，在施工安裝時(shí)應(yīng)引起注意。分析表明，這種網(wǎng)架的下弦桿和腹桿內(nèi)力以及支座的豎向反力均可由靜力平衡條件求得，根據(jù)支座水平約束情況決定上弦桿的內(nèi)力。 這種網(wǎng) 架適用于周邊支承的中小跨度屋蓋。 2.3 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù) 在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者首先要選擇網(wǎng)架的形式，網(wǎng)架的形式確定之后，需進(jìn)一步確定網(wǎng)格尺寸和網(wǎng)架高度。 網(wǎng)格尺寸 (s） 與網(wǎng)架高度 (h)有密切關(guān)系， s/h 的值越大，斜腹桿與下弦 平面夾角越小，通常是斜腹桿與下弦平面夾角為 5540 。 本課題中網(wǎng)架的主要技術(shù)參數(shù)如下： 1、結(jié)構(gòu)形式：雙層網(wǎng)架 節(jié)點(diǎn)類(lèi)型：焊接球 網(wǎng)格形式：正交正方四角錐 網(wǎng) 架 2、網(wǎng)架平面尺寸： 30m*24m,網(wǎng)架高度 h為 4m 3、支承形式： 多點(diǎn)上弦支承 4、材料：網(wǎng)架桿和螺栓球采用的是 45 號(hào)鋼 5、靜載荷：上、下弦自重（ =7.85g/ 2cm ） 活載荷： 下 弦： 0.50KN/ 2m 基本風(fēng)載： 0.45KN/ 2m 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模和動(dòng)力特性分析 17 第三章 工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的有限元分析 3.1 有限元軟件的發(fā)展趨勢(shì) 工程人員進(jìn)行有限元分析時(shí)，多數(shù)情況是采用通用的商業(yè)有限元軟件，自行開(kāi)發(fā)者是極少數(shù)。因此， 商業(yè)有限元軟件的好壞對(duì)有限元法的應(yīng)用至關(guān)重要。目前，大型的商業(yè)有限元軟件有很多，它們基本上均具有較好的前處理、后處理和計(jì)算能力，可以滿(mǎn)足眾多產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的基本要求 .然而在提高模擬的真實(shí)性和使用的適應(yīng)性方面卻不同程度地存在著不足。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和新的工程要求的提出，這種挑戰(zhàn)更加迫切。為了應(yīng)付這些挑戰(zhàn)，未來(lái)地有限元軟件的發(fā)展將具有以下特點(diǎn)： 1、由單一物理場(chǎng)的研究向多物理場(chǎng)綜合模擬以及相互作用模擬的方向發(fā)展。例如當(dāng)氣流流過(guò)一座很高的鐵塔，鐵塔會(huì)發(fā)生變形，塔的變形又反過(guò)來(lái)影響到氣流的流動(dòng)，這就需要用到結(jié)構(gòu)一流體 耦合 分析。 2、由單一零件的模擬向整機(jī)的模擬方向發(fā)展。 3、進(jìn)一步提高非線(xiàn)性問(wèn)題的求解能力。材料科學(xué)的不斷發(fā)展，研究出了很多性質(zhì)特殊的新材料，現(xiàn)有的非線(xiàn)性求解器需要進(jìn)一步完善其功能。 4、在有限元分析功能不斷完善的基礎(chǔ)上，向與優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性分析和其它綜合評(píng)估功能結(jié)合的方向發(fā)展。 5、加強(qiáng)與設(shè)計(jì)制造過(guò)程的集成和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，向與 CAD/CAM 無(wú)縫化集成的方向發(fā)展。即在 CAD軟件上完成產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)，自動(dòng)生成有限元