大跨度管桁架屋盖结构设计分析Word文档格式.docx
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管桁架;
风荷载;
地震动;
振型
管桁架结构采用相贯节点,简化了传统球节点的连接方式和构造,省去了球节点及支座的设计,使整个结构简洁大方,以简洁、流畅、美观的视觉效果在大跨空间结构中得到了广泛应用。
管桁架结构具有以下的优点:
(1)结构形式简洁、美观,适用于多种结构造型。
(2)钢管的管壁一般较薄,截面回转半径较大,因此管桁架结构几何特性好,刚度大。
整体受力合理。
(3)管桁架结构施工时将各杆件直接焊接,因而具有施工简单,节省材料的优点。
此外,由于结构外形等特点,还具有便于清洁、防锈、承受风荷载效应较低等优点。
但是由于管桁架结构应用时间较短,规范尚不完备,其理论研究不够深入,在具体的设计、施工中需针对工程中技术难点,进行具体的分析。
1工程概况
1.1结构形式。
某高级中学体育馆为大跨度管桁架结构,该体育馆内一楼设置有体操室、健身房、舞蹈房,二楼是一个标准的篮球场,两侧有看台,可以承担一般比赛任务。
该工程跨度39m,长度为45m。
结构如图1所示。
图1大跨管桁架结构模型图
结构形式双轴对称,样式轻盈,外观曲线流畅,屋面材料采用铝合金屋面板。
结构总共有12根承压柱,由6榀主桁架承重,桁架宽0.8m,高度最小处0.7m,最大处2m,矢高4m。
主桁架上弦杆截面为φ108×
8钢管,下弦为φ127×
7钢管,腹杆为φ95×
6钢管,柱子为φ299×
16钢管,钢材材质均为Q345-B。
结构纵向通过三角形截面桁架进行拉结并传递横向荷载。
桁架支座一端为固定铰接支座,另一端为可以沿桁架跨度方向滑动的滑动支座,以释放温差所引起的变形。
滑动支座构造如图2所示。
1.2荷载。
根据规范的规定,屋面恒载、活载及风载的取值如下。
恒载:
屋面恒载为0.5KN/m2,屋面吊挂为0.7KN/m2,构件自重通过程序自动计算。
活载:
屋面活载为0.5KN/m2。
风荷载:
基本风压取0.6KN/m2,B类场地粗糙度。
本工程抗震设防烈度8度,基本地震加速度为0.20g,场地类别为II类,设计地震分组为第二组。
周期不折减,建筑结构阻尼比取0.02。
温度作用:
由于结构跨度大,沿纵向较长,故温度作用对结构的影响不容忽视。
设计中计算温差取±
30℃。
2内力分析
工程采用空间结构有限元软件MIDAS/GEN进行整体计算。
屋盖的主要荷载包括竖向的恒载和结构自重、活载和风载。
结构分析中同时考虑了水平地震作用及温度作用。
钢管桁架除上下弦按刚接计算外。
其余构件按铰接设计。
经分析计算,在各种荷载组合下,各主要杆件的控制内力如表1。
由表1可以看出,杆件主要由恒载,活载和风载的荷载组合控制,屋盖结构没有考虑上吸风的有利作用,但由于屋盖侧向受风面积较大,所以水平风荷载的作用不容忽视。
表1各主要杆件的控制内力
杆件内力/KN
上弦杆163.0
下弦杆91.2
腹杆126.8
柱子132.5
注:
此处内力指杆件轴力。
因为对于上下弦杆的弯矩很小,不起控制作用。
根据规定,对无吊车的屋盖结构,按永久和可变荷载标准值计算的挠度容许值可取跨度的1/250,本工程按永久和可变荷载标准值计算的屋盖结构最大挠度为7.99mm,对应桁架跨度为39m,39000/250=15.6>
7.99,满足要求,同时,屋盖桁架支座一端采用可滑动板铰节点,有利于减少构件内力。
3动力性能分析
对本工程结构进行自振特性分析,计算振型数取20阶,结构前3阶自振周期及振型如表2所示。
由表2可知,T1/Tg=4.4,水平地震影响系数处在设计反应谱曲线的下降段,地震影响系数值较小。
对于大跨度柔性结构,地震作用一般不起控制作用。
由结构的阵型图可以看出,第1阶,第3阶振型均为横向振型,第2阶为纵向振型,整体振动明显。
表2结构前三阶周期及阵型图
阵型号周期/s阵型图
11.751
21.116
30.734
4结语
大跨度钢管桁架结构,由于结构简洁、受力合理、重量轻,经济效益良好,近年来,该结构形式普遍应用于我国大跨度空间结构。
本文针对某大跨度管桁架工程,采用大型有限元程序进行了各种工况下的受力分析,指出了对于大跨度钢结构,风荷载成为结构的控制荷载,并对结构进行了地震动输入动力学分析,可以看出,由于大跨度结构刚度较小,因此地震影响系数处于设计反应谱的下降段,地震荷载对结构的影响较小。
但是,由于钢结构的稳定性及施工要求高,因此,在满足建筑形式的要求之下,应保证结构体系的稳定性和完整性,对于相贯节点的加工与放样应该进行精确地设计,以保证整体结构的安全性能。
参考文献
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管桁架结构采用相贯节点,简化了传统球节点的连接方式和构造,省去了球节点