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鋼桁架結(jié)構(gòu)安全性分析

文檔作者：張巖壽王湘安文檔來源：天津大學(xué)建筑設(shè)計研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月16日
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張巖壽等：鋼桁架結(jié)構(gòu)安全性分析 37
鋼桁架結(jié)構(gòu)安全性分析
張巖壽， 王湘安
(天津大學(xué)建筑設(shè)計研究院． 天津300073)
【摘要】 基于大型通用有限元軟件ANSYS，對天津市某鋼桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析、靜力分析和非線性屈
曲分析。通過分析，研究了該鋼桁架結(jié)構(gòu)的受力特點和承載能力，分析認(rèn)為全鋼桁架結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的安全性，值
得推廣使用；基于ANSYS適用于鋼桁架結(jié)構(gòu)的靜力和穩(wěn)定性分析方法可信度高。
【關(guān)鍵詞】 鋼桁架結(jié)構(gòu)；靜力分析；穩(wěn)定性分析
【中圖分類號】TU392 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 B 【文章編號】 1001—6864【2012)03—0037—03
0 概論
天津市某足球場位于天津市團(tuán)泊湖附近，總占地
16．31ha，建筑面積5．4萬m ，是國內(nèi)首個下沉式的專業(yè)足
球場，造型新穎、功能齊全。如圖1所示，該足球場全部采用
鋼桁架結(jié)構(gòu)，在建筑物的四周為四個桁架式格構(gòu)柱，通過主
拉桁架牽引主桁架，主桁架承擔(dān)由挑桁架傳遞來的荷載，其
中長向共l8個挑桁架，短向共12個，挑桁架一段懸挑，另一
端固定于下部砼柱，挑桁架的下面為看臺。構(gòu)件形式全部
為各種型號的鋼管。
工程的設(shè)計使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級。
抗震設(shè)防類別是一類，抗震設(shè)防烈度是7度，設(shè)計基本地震
加速度值為0．15g，設(shè)計分組為一組，場地類別為III類。
該建筑結(jié)構(gòu)形式特殊，原因在于格構(gòu)柱與主桁架之間
的連接構(gòu)件即主拉桁架采用的是桁架結(jié)構(gòu)，類似牽引構(gòu)件
一般采用懸索或者剛性連接，而桁架結(jié)構(gòu)比普通懸索剛度
強(qiáng)，但是有弱于普通的剛性連接構(gòu)件，鑒于該構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中
的重要性，此結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行安全性及可靠度的分析。
文中采用大型通用有限元軟件ANSYS建立了該結(jié)構(gòu)的
三維精細(xì)化有限元模型，并分別對該模型進(jìn)行了靜力和穩(wěn)
定性的分析，由此得到該足球場鋼結(jié)構(gòu)整體的靜力及穩(wěn)定
性的分析結(jié)果。另外，通過運(yùn)用ANSYS軟件分析該結(jié)構(gòu)，結(jié)
合鋼桁架結(jié)構(gòu)承載的特點，總結(jié)出在ANSYS平臺下可行的
靜力和穩(wěn)定性分析方法。
1 模型介紹
0● OO ●O O● 0O● 0o ● 00● OO● OO ●OO ● OO● OO● OO ● OO● 0o● O O● OO ●OO ● OO● OO ● OO● OO● 0O ●OO ◆ Oo● oO● OO ● O0● OO ●O O◆ O0● oO ● Oo● 0O● OO ● oO● OO● 0O● OO ●O O● OO● OO ●OO ● oo● 0o● O o◆ OO● o
20
薹
× 5
0
氌 一5
導(dǎo) 一10
蜇一15
5
4
3
2
l
O
— l
一2
- 3
＼ 2級海嘯 ／／
— — — — ＼ ， 一 ／
嘯＼ ，，／／ 海嘯
0 100 200 300 400 500 600
時間，日
圖7 管道分別受1、2、3級海嘯波水平向
懸跨端節(jié)點的應(yīng)力變化曲線
，
2級海嘯／／
～ ＼ ～ ／ ／
1級海嘯 ＼、 ／ ‘ ~
0 l00 200 300 40O 500 600
時間／s
圖8 管道分別受l、2、3級海嘯波水平向
懸跨端節(jié)點的應(yīng)變變化曲線
(2) 從表2可見，海底管道受1、2、3級海嘯波沖
擊均未達(dá)到屈服強(qiáng)度和屈服應(yīng)力，證明現(xiàn)階段的設(shè)計
標(biāo)準(zhǔn)可抵抗常見海嘯的沖擊且不發(fā)生破壞，保證了海
洋復(fù)雜環(huán)境中海底管道的正常運(yùn)營。
表2 水平向跨中、懸跨端節(jié)點應(yīng)力、
應(yīng)變計算結(jié)果絕對值最大值
參考文獻(xiàn)
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[2] 竺艷蓉．幾種波浪理論適用范圍的分析[J]．海岸工程，1983，
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島：中國海洋大學(xué)，2009．
[收稿日期] 201l一12-08
[作者簡介] 薛景宏(1968一)，男，吉林梨樹人，教授，博士，研
究方向：結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)工程。
38 低溫建筑技術(shù) 2012年第3期(總第165期)
1．1 分析模型
按照施工圖紙定義桿件尺寸，桁架上、下弦桿及格構(gòu)柱
柱肢桿件均采用BEAM188單元，其余桿件采用LINK8單
元。格構(gòu)柱與地基的連接采用剛接約束，主桁架及各榀挑
桁架與下部混凝土柱的連接均采用鉸接約束。如圖1所示
為模型圖。
圖1 三維有限元模型
1．2 荷載組合
將屋面均布荷載等效成各榀挑桁架上的集中節(jié)點荷載
進(jìn)行計算，溫度荷載直接由ANSYS程序自動施加。對于大
跨度的鋼結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載起控制作用，因此本文對風(fēng)荷載控制
下的最不利荷載組合進(jìn)行計算，以驗算所選取桿件是否滿
足強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求。荷載工況組合如下式所示：
1．2恒載+1．4×(0．7活載+風(fēng)載+0．7溫度荷載)式
中，各項荷載標(biāo)準(zhǔn)值如下：
恒載：1．5kN／m ；活載：0．95kN／m ；風(fēng)正：1．50kN／m ；
風(fēng)負(fù)：2．18kN／m 。
經(jīng)計算，施加到每個挑桁架節(jié)點上的等效荷載P ：
25．7kN，Ph=10．9kN。
2 結(jié)構(gòu)分析
2．1 模態(tài)分析
提取結(jié)構(gòu)前六階模態(tài)，振型如圖2所示。
分析圖2中各個振型可以看出，相對結(jié)構(gòu)懸挑桁架、主
桁架和格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)，用于連接主桁架和格構(gòu)柱的主拉桁架
剛度較弱，在前6階振型中，結(jié)構(gòu)的變形都是此處最大，這提
示我們在設(shè)計和計算類似大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)時應(yīng)當(dāng)注意相
關(guān)構(gòu)件的安全性。
2．2 靜力分析
對整體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行靜力分析，如圖3所示。
圖3 整體結(jié)構(gòu)模型變形圖
圖2 整體結(jié)構(gòu)前六階振型圖
觀察圖3所示的結(jié)構(gòu)變形圖發(fā)現(xiàn)，在靜力荷載作用下結(jié)
構(gòu)的變形在各個方向上基本對稱，其中最大位移值出現(xiàn)在
結(jié)構(gòu)長向且位于中間的懸挑桁架頂端，其值為f=326mm，
∥L=326／200000=1／613<1／150，滿足變形要求。
結(jié)構(gòu)中Link8單元最大應(yīng)力值出現(xiàn)在長向主桁架中間
位置，其中最大拉應(yīng)力133．9N／mm ，最大壓應(yīng)力148．3N／
mm ，均小于Q345鋼的強(qiáng)度310N／mm ，各桿件滿足強(qiáng)度要
求；壓桿最大N／~oA：181．2N／mm ，各桿件滿足穩(wěn)定要求。
結(jié)構(gòu)中BEAM188單元的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在長向的跨
中挑桁架連接下部砼柱處，其中最大拉應(yīng)力值為I12．ON／
m m 。
，最大壓應(yīng)力值為186．7N／mm ，滿足強(qiáng)度要求。計算壓
彎構(gòu)件穩(wěn)定最大壓應(yīng)力值：
N
+’ y ( 1 一0 8N而／N ≤，
． 既)
式中，對于圓管，， =1．15； =0．65+0．35M2／Ml=
1．O；N = ,n-" EA
。
I· 7r
經(jīng)過上述計算后發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定最大壓應(yīng)力值為221．07N／
張巖壽等：鋼桁架結(jié)構(gòu)安全性分析 39
mm ，所以在靜力分析時結(jié)構(gòu)滿足桿件的穩(wěn)定性。
2．3 整體穩(wěn)定性分析
在每榀挑桁架上弦各節(jié)點上施加單位集中荷載，用特
征值屈曲分析，并提取前6階屈曲模態(tài)。
由圖4可見，整體結(jié)構(gòu)前4階屈曲模態(tài)發(fā)生在短向中間
4榀對稱挑桁架，且屈曲值近似相等，約280kN，但位移不
大；5—6階屈曲模態(tài)發(fā)生在短向4榀對稱的邊挑桁架，屈曲
值近似相等，約287kN，同時側(cè)向位移較大。
放大結(jié)構(gòu)上的荷載，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性屈曲分析。定
義荷載值為縱坐標(biāo)，兩向挑桁架最大位移節(jié)點側(cè)向位移為
橫坐標(biāo)，分別繪出長向、短向荷載一位移曲線如圖5、圖6
所示。
文中比較了整體結(jié)構(gòu)模型相比1／4模型下結(jié)構(gòu)的非線
性屈曲值，整體結(jié)構(gòu)略有下降，但幅度不大，也可近似取為
240kN。整體結(jié)構(gòu)在正常使用工況下，不會發(fā)生整體失穩(wěn)
破壞。
圖4 整體結(jié)構(gòu)模烈前6階屈曲模態(tài)
一，
／
，
‰
圖5 整體結(jié)構(gòu)模型長向荷載一位移曲線
3 結(jié)語
使用大型通用有限元數(shù)值結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS建立了
天津市某鋼桁架結(jié)構(gòu)足球場的三維精細(xì)化有限元模型，并
分別對該模型進(jìn)行了模態(tài)、靜力和穩(wěn)定性的分析，由此得到
該足球場鋼結(jié)構(gòu)整體的靜力及穩(wěn)定性的分析結(jié)果。通過計
算分析結(jié)果得出如下結(jié)論：
(1) 天津市某足球場結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，安全性高，全桁
架結(jié)構(gòu)作為一種大跨度結(jié)構(gòu)的新形式值得推廣。
(2) 文中所采用的基于ANSYS平臺的鋼桁架結(jié)構(gòu)的
靜力和穩(wěn)定性分析方法是可行的，結(jié)果是可信的，類似結(jié)構(gòu)
可以采用文中方法分析安全性。
參考文獻(xiàn)
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圖6 整體結(jié)構(gòu)模型長向荷載一位移曲線
[2] 《建筑結(jié)構(gòu)靜力計算手冊》編寫組．建筑結(jié)構(gòu)靜力計算手冊
(第二版)[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000：1．
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筑結(jié)構(gòu)學(xué)報。2003，24(3)：1—9．
[4] 王新敏．ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M]．北京：人民交通出版
社，2007：10．
[收稿日期] 2011一l1一l5
[作者簡介】張巖壽(1987一)，男，山東德州人，碩士，研究方
向：鋼結(jié)構(gòu)。

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