拱形桁架設(shè)計(jì)

某拱形鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算分析'姓名：何衛(wèi)學(xué)號(hào)：08231158班級(jí)：土木0806班單位：北京交通大學(xué)土建學(xué)院時(shí)間：2011年5月22日拱形桁架模型分析對(duì)模型的整體結(jié)構(gòu)分析：從第一眼看這拱形模型桁架，給人一種藝術(shù)家那種概念理論的設(shè)計(jì)，并將其想象力付諸實(shí)踐的結(jié)構(gòu)。在看了其結(jié)構(gòu)中各種構(gòu)件的布置和尺寸圖集，結(jié)合計(jì)算書的計(jì)算可知，這是一個(gè)由五個(gè)鋼拱通過錨索和膜結(jié)構(gòu)相連而組成的空間體系。通過圖集可知，分別是A拱和D拱通過低松弛預(yù)應(yīng)力鋼索相連；B拱和E拱通過通過低松弛預(yù)應(yīng)力鋼索相連；C拱上由膜結(jié)構(gòu)與B、D相連。各個(gè)拱都是在同一個(gè)平面上，每個(gè)鋼拱是一個(gè)平面的無鉸拱。計(jì)算書中采用的是用有限元來模擬；因?yàn)闆]有學(xué)過有限元的理論，我查看了各類與有限元相關(guān)的書籍，大致知道有限元計(jì)算的基本理論和過程。有限元分析過程可以分為以下三個(gè)階段：1.建模階段：建模階段是根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際形狀和實(shí)際工況條件建立有限元分析的計(jì)算模型一一限元模型，從而為有限元數(shù)值計(jì)算提供必要的輸入數(shù)據(jù)。有限元建模的中心任務(wù)是結(jié)構(gòu)離散，即劃分網(wǎng)格。但是還是要處理許多與之相關(guān)的工作：如結(jié)構(gòu)形式處理、集合模型建立、單元特性定義、單元質(zhì)量檢查、編號(hào)順序以及模型邊界條件的定義等。2.計(jì)算階段：計(jì)算階段的任務(wù)是完成有限元方法有關(guān)的數(shù)值計(jì)算。由于這一步運(yùn)算量非常大，所以這部分工作由有限元分析軟件控制并在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)完成。3.后處理階段：它的任務(wù)是對(duì)計(jì)算輸出的結(jié)果驚醒必要的處理，并按一定方式顯示或打印出來，以便對(duì)結(jié)構(gòu)性能的好壞或設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行評(píng)估，并作為相應(yīng)的改進(jìn)或優(yōu)化，這是驚醒結(jié)構(gòu)有限元分析的目的所在。本算例老師要求用MIDAS軟件進(jìn)行求解，模型的建立、節(jié)點(diǎn)和材料的定力老師已經(jīng)給出來了，我們只需要將風(fēng)荷載、溫度應(yīng)力、和自重荷載加進(jìn)去來算的地基反力；自重作用下的荷載應(yīng)經(jīng)有材料的定力自動(dòng)加進(jìn)去了；我們只需要加溫度力和風(fēng)載，一、設(shè)計(jì)任務(wù)1.采用midas進(jìn)行風(fēng)荷載、自重及溫度荷載下的結(jié)構(gòu)分析；

?:?2.計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力；?:?3.進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)；?4.分析原有結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)。（1）模型建立節(jié)點(diǎn)：307節(jié)點(diǎn)：307單元：518（2）輸入荷載1、風(fēng)荷載地面粗糙度：基本風(fēng)壓地面粗糙度：基本風(fēng)壓（KN/m2）:結(jié)構(gòu)基本周期：結(jié)構(gòu)基本周期：地形修正系數(shù)：W0=0.650T1 =0.435 （X 方向）T1 =0.511 （Y 方向）y =1.0002）風(fēng)荷載數(shù)值本工程采用了拱、桁架和膜結(jié)構(gòu)，應(yīng)對(duì)拱和膜受到的風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算。拱結(jié)構(gòu)膜結(jié)構(gòu)垂直于拱軸的水平風(fēng)荷載由膜張力引起水平風(fēng)荷載（作用于B、D拱）垂直于膜面的豎向風(fēng)荷載（傳遞到桁架上）風(fēng)荷載計(jì)算公式：w=。日日w拱結(jié)構(gòu)：k zzs0拱結(jié)構(gòu)的各點(diǎn)高度均不同，計(jì)算時(shí)將拱結(jié)構(gòu)分為幾部分，對(duì)每一部分求其平均風(fēng)荷載值。膜結(jié)構(gòu)：由膜張力產(chǎn)生的水平風(fēng)荷載假定為10kN/m，作用于B、D拱。垂直于膜面的豎向風(fēng)荷載采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)報(bào)告的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。平均壓力系數(shù)一風(fēng)壓高度變化系數(shù)與體型系數(shù)的乘積NetPressure0一妲0一妲60度時(shí)測(cè)得的平均壓力系數(shù)60度時(shí)測(cè)得的平均壓力系數(shù)垂直于膜面的豎向風(fēng)荷載計(jì)算風(fēng)荷載效果圖荷載組合類型2、結(jié)構(gòu)自重荷載根據(jù)材料容重和材料截面特性由結(jié)構(gòu)自動(dòng)進(jìn)行加載。3、溫度荷載荷載組合類型2、結(jié)構(gòu)自重荷載根據(jù)材料容重和材料截面特性由結(jié)構(gòu)自動(dòng)進(jìn)行加載。3、溫度荷載最大溫差設(shè)為25°C。三、荷載組合荷載組合內(nèi)容設(shè)計(jì)組合1 鋼材拱結(jié)構(gòu)上風(fēng)荷載計(jì)算表1.4x風(fēng)荷載+1.0x溫度荷載+1.2x自重直徑m分段起點(diǎn)Z坐標(biāo)分段中點(diǎn)Z坐標(biāo)距地面平均高度七ZH9zPz風(fēng)荷載（線荷載）kN/m拱A103.99.450.740.370.2401.3580.6533.97.313.10.740.510.3901.5810.7600.9~17.38.115.20.7440.600.4501.6670.7660.98.111.517.30.7860.680.6261.8780.86411.515.621.050.8570.830.7761.9981.0020.8515.616.123.350.8940.920.8882.0951.0350.816.11824.550.930.960.9442.1191.025拱B0.9-2.40.46.50.740.250.1251.1860.5140.8~0.90.40.88.10.740.320.1901.2830.5250.80.84.2100.740.390.2601.3870.6010.7~0.84.24.611.90.740.470.3471.5170.5470.74.66.4130.740.510.3901.5810.532拱C0.4-3.3-0.015.8450.740.230.1071.1590.2230.4-0.010.97.9450.740.310.1801.2680.2440.40.90.958.4250.740.330.2001.2980.250拱D1-2.4-2.045.280.740.210.0901.1340.5451-2.04-0.985.990.740.230.1071.1590.5580.9~1-0.98-0.766.630.740.260.1341.2000.5480.9-0.760.957.5950.740.300.1701.2530.5430.8~0.90.951.168.5550.740.340.2101.3130.5370.81.162.149.150.740.360.2301.3430.517拱E0.903.99.450.740.370.2401.3580.5880.8~0.93.94.411.650.740.460.3361.5010.6140.84.46.512.950.740.510.3901.5810.6080.86.58.5150.740.590.4431.6600.6390.7~0.88.5916.250.7650.640.5381.7750.6620.791117.50.790.690.6481.9040.685四、拱端支座反力

編號(hào)Fx(N)Fy(N)FZ(N)MX(N*m)My(N*m)Mz(N*m)E375026-238908239410665400-113900-1040000A247134471183183641153000-1110000-749700D983675-697803337171657600-867700-1892000B10688236757285571631042000-1490000-430300C892480-1079417312539467483-124100-43246基礎(chǔ)計(jì)算書.基礎(chǔ)計(jì)算簡(jiǎn)圖圖1空間示意圖

(a)①?(a)①?②立面圖(b)A?B投影圖圖2平面計(jì)算簡(jiǎn)圖二.截面特性因基礎(chǔ)是由同一種混凝土材料構(gòu)成的，故重心和形心重合。則，重心6的幾何位置為：V0.5X42X2.67+0.5x5x3.5x6.17+4x1x4.5+1.0x5.0x2.5+8.5x7x4.25.X G 0.5x42+0.5x5x3.5+4.0x1.0+1.0x5.0+8.5x7-4.21m= 0.5x4.02x9.33+0.5x5x3.5x8.67+4.0x1.0x10+1.0x5.0x7.5+8.5x7.0x3.5 G 0.5x4.02+0.5x5x3.5+4.0x1.0+1.0x5.0+8.5x7-5.12mYg-3.0m三.作用在拱端的反力經(jīng)分析得，作用在拱端的支座反力見表1。表1拱端支座反力編號(hào)Fx(N)Fy(N)Fz(N)M(N?m)M(N?m)M(N?m)E375026-238908239410665400-113900-1040000A247134471183183641153000-1110000-749700D983675-697803337171657600-867700-1892000B10688236757285571631042000-1490000-430300C892480-1079417312539467483-124100-43246四.作用在基礎(chǔ)重心6上的力首先將作用在各拱端的支座反力合成到H點(diǎn)，再經(jīng)過計(jì)算，將作用在H點(diǎn)上力轉(zhuǎn)化到作用在基礎(chǔ)重心6上的力，計(jì)算結(jié)果見表2。表2作用在基礎(chǔ)上的力編號(hào)FX(KN)Fy(KN)Fz(KN)MX(KN?m)My(KN?m)Mz(KN?m)H-3567225-1625-418778343964G-3567225-14413-5128-27214567抗傾覆驗(yàn)算繞X軸產(chǎn)生的彎矩：〃x傾=-225X5.12-5128=-6280(KN-m)M*抗=14413X3.0=43239(KN-m)故，Mx傾VM*抗，滿足要求。繞Y軸產(chǎn)生的彎矩：心丫傾=-3567X5.12-2721=-20984(KN-m)My抗=14413X4.21=60679(KN-m)故，My傾VMy抗，滿足要求?？够乞?yàn)算(a)基礎(chǔ)底面位于粉土層，取靜摩擦系數(shù)r=0.35，則水平摩擦力:f=r?F^=0.35X14413=5045(KN)故，F(xiàn)yVF*Vf，滿足要求。(b)基底因扭矩Mz產(chǎn)生的剪應(yīng)力按圓計(jì)算，其幾何尺寸見圖3.4567x4567x5.23.14x10.4432=20.7(KN/m2).抗=f=些二98.9(KN/m2)ZA8.5x6故，Tz故，Tz滑VTz抗，滿足要求。圖3基底簡(jiǎn)圖圖4圖4基礎(chǔ)模型七.地基承載力驗(yàn)算地基承載力驗(yàn)算的計(jì)算模型如圖4所示。G'=-43626(KN)作用在重心的豎向力為：F；=-(4362h61625習(xí)-4525(1KN)基底面積：A=249.39m2則，基底反力為：P=-Z=45251=181.45kPaA249.39角礫層地基承載力特征值P=250kPa。故，P<P,滿足要求?？偨Y(jié)從計(jì)算書中通過有限元的計(jì)算可以看出，B鋼拱的X向和Y向水平力都很大，而且X向數(shù)值比起其他鋼拱大了數(shù)倍，這緣于B和C、D拱承受水平風(fēng)力作用，鋼索分別對(duì)B和D拱施加了壓力，并且B鋼拱的拱軸線也趨于水平，這就相當(dāng)于在B拱軸線平面作用了較大的荷載，導(dǎo)致支座反力也較大，符合模型特點(diǎn)。同樣的道理，A鋼拱受到D鋼拱通過鋼索的作用力，受到相應(yīng)方向的壓力，導(dǎo)致其Z方向支座反力較大，其他鋼拱也可以分析出類似的結(jié)論?？箖A覆驗(yàn)算是防止實(shí)體基礎(chǔ)繞某一坐標(biāo)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)?？箖A覆驗(yàn)算是比較實(shí)體基礎(chǔ)產(chǎn)生傾覆的力矩和豎向壓力產(chǎn)生阻礙力矩，如果豎向力產(chǎn)生的阻礙力矩較大，驗(yàn)算便可通過。此處可以從上面的數(shù)據(jù)看出，Z向作用力明顯大于水平向的作用力，所以此項(xiàng)驗(yàn)算是很容易滿足的。但存在不足之處，基礎(chǔ)未必沿著X、Y軸發(fā)生傾覆，所以此項(xiàng)驗(yàn)算我認(rèn)為是不完整的，但基于Z向力比較大，所以可以認(rèn)為無論繞哪個(gè)軸，抗傾覆力矩都比較大?？够乞?yàn)算是防止實(shí)體基礎(chǔ)整體水平移動(dòng)。需要水平靜摩擦力大于水平作用力和Z軸向的力矩使實(shí)體基礎(chǔ)發(fā)生扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的切