某网架结构力学性能分析

1. 工程概况本工程位于陕西省西安市。总建筑面积为 1496.25，工程结构形式为螺栓球节点正放四角锥网架，材料选用 Q235 钢材，结构构件分别选用 GB700 中 Q235 钢管、GB3077 中高强螺栓、GB699 中的 45 号钢做的螺栓球、Q235 钢的封板锥头和套筒，焊条分别使用 E43xx和 E50xx。其几何形状大致呈半圆状，在 0和 180处各凸出 1.375m，两方向几何尺寸分别为 28.5m 和 52.5m，其属于一类公共建筑，建筑主体结构设计使用年限为 50 年，抗震设防烈度 8 度，耐火等级为一级。网架结构杆件材料均选用低碳钢 Q235，弹性模量 E=2.11011Pa；泊松比 =0.3；密度 =7850kg/m3，其抗拉强度设计标准值为 235Mpa，抗拉压强度设计值为 195Mpa。杆件材料（高强螺栓）规格分别采用 45x3.50（M20） ，60x3.50（M22） ，75x3.75（M24） ，89x4.00（M27） ，114x4.00（M33） ，140x4.00（M33） ，159x6.00（M39） 。网架结构边界支承结构形式：周边柱点支撑，采用刚性支承， ；不动0uvw球支座；支座节点类型：平板压力支座；本文所采用的现行国家设计规范与技术规程如下：（1） 网架结构设计与施工规范 (JGJ7-91)（2） 钢结构设计规范 (GB50017-2003)（3） 钢结构工程施工质量验收规范 (GB50205-2001)（4） 网壳结构技术规程 （JGJ61-2003）（5） 钢网架螺栓球节点用高强度螺栓 (GB/T16939)（6） 建筑结构荷载规范 （GB50009-2012）（7） 冷弯薄壁型钢结构技术规范 （GB50018-2002）2. 计算工况该空间网架结构的外荷载分为恒荷载（自重） 、活荷载、风荷载、雪荷载。恒荷载通过给几何模型附加重力加速度来计算，经计算自重为 466.55kN，网架面积为 1147.22，故单位面积的自重为 466.550/1147.22=0.407kN/，这里未采用设计技术参数中：上弦层 0.30kN/，下弦层 0.15kN/，共计为 0.45 kN/m2，与前者计算所得值相差不大，且前者为精确计算，故这里采用前者。活荷载、风荷载、雪荷载均依据建筑结构荷载规范 （GB 50009-2012）按该结构所述地区进行取值：屋面活荷载按不上人屋面取 0.5kN/，不与雪荷载同时组合；风荷载取值为 0.35kN/，组合值系数 0.6；雪荷载取值为 0.25kN/，组合值系数 0.7；对上述各种荷载进行组合，采用承载能力极限状态下的基本组合： 由可变荷载效应控制的组合1.2恒载+1.4活载1.20.407+1.40.5+1.40.60.35=1.482 kN/1.20.407+1.40.50.7+1.40.35=1.468 kN/由永久荷载效应控制的组合1.35恒载+1.40.7活载1.350.407+1.40.70.5+1.40.60.35=1.332 kN/故荷载采用以上较大值 1.482 kN/进行计算。荷载在模型的加载中是放置与上弦杆件的节点上，原以网格面积所辖区域内节点数目进行平均分配，但该结构体型复杂，网格面积各不相同，且差异不大，按上述计算较为复杂，且根据以往计算经验其对于计算精度提高并不大，故对荷载加载进行简化，采用总面积上的荷载除以节点总数平均分配到节点上，这种方法较为粗略，但满足工程要求。这里应当注意理论上边缘上的节点荷载是小于中间部分的节点荷载，该处同理予以忽略。故上弦节点加载荷载计算为：荷载组合值 1.482 kN/，屋面总面积 1147.22，上弦节点共计 283 个，则上弦节点加载荷载均值为：1.482 1147.22/283=6.0077 kN。上弦节点加载荷载为 1.500 kN。注：该处荷载必须作用在节点上，杆件不承受横向荷载。3. 有限元模型3.1 基本假定网架结构杆件多、节点多，是一种高次超静定的空间杆系结构，要完全精确地分析它的内力和变形是非常困难的，需要采用一些计算假定，忽略某些次要因素的影响，从而使计算工作得到简化，计算假定越接近实际结构，计算结果的精度越高。对网架结构进行动力特性分析通常作如下假定：(1)网架的节点为空间铰接节点，每一节点有三个自由度；(2)质量集中在各节点上；(3)基础为一刚性体，各点的运动完全一致而没有相位差。3.2 单元选取由于结构为空间杆件受力体系，节点假设为空间铰接点，外荷载假设作用在节点上，单元仅受拉压力，所以可以选取 link180 作为结构分析的单元。3.3 建模与分网建模过程：（1） 在 element type 中选取 link180 作为本工程的分析单元。（2） 在 real constant 中设置本工程中六种不同的杆件截面面积。（3） 在 material props 中的 material models 中设置本工程所用的材料特性，本工程所用的材料为 Q235 高频焊管或无缝钢管，采用弹性模量为 2.1E11，密度7800kg/m3，柏松比为 0.3。（4） 本人建模时是先建下弦杆，先以下弦杆最左下方点为坐标原点，在 cad 中算出主要点的坐标，在 modeling 中建出下弦杆的空间布置；之后算出上弦杆最左下方点与下弦杆最左下方点的相对位置，在 ansys 中做出上弦杆最左下方点的位置，然后将工作平面的原点移到该点上，以该点为原点算出上弦杆主要点的左边，在 modeling 中建出上弦杆的空间模型；之后连接空间网架的腹杆，为了操作方便连接腹杆时用到 select 定出网架的部分结构出来后在连接不至于连接错误或者漏接，有些可以直接用到复制跟镜像命令加快建模过程。将上下弦杆和腹杆建好后模型的整体空间布置就出来了。（5） 由于本工程中有六种不同截面的杆件，所以对每根杆赋截面特性比较繁琐，本人是先将所有的杆件赋 L1 截面特性，然后在对照 cad 施工图将布置 L1 截面特性的杆件一根根改正过来。其中用到 select 先定位出空间网架的局部，按顺序从下往上，先上下弦杆后腹杆，一根根赋截面特性。（6） 对模型分网，将模型的每根杆做为一个单元分网。（7） 对模型按 cad 施工图中布置支座，支座为空间铰支座。（8） 对模型个节点按上面计算所得荷载布置荷载值。4 静力计算结果与分析4.1 刚度校核1自重作用下变形云图图 4.1 自重下 Y 方向的位移变形平面云图图 4.2 自重下 Y 方向的位移变形侧面云图在只有重力作用的工况下，最大位移为 6.491mm，位于结构中部，如上图红色部位所示，通过查看支座反力可得 Z 方向的合力为 474.90kN，网架面积为 1147.22，则可得结构的用钢量为：474.90/1147.22103/9.8=42.3kg/m2。2荷载组合下的 Y 方向的变形云图图 4.3 荷载组合下 Y 方向的位移变形平面云图图 4.4 荷载组合下 Y 方向的位移变形侧面云图由上图结果表明该结构的最大挠度位于网架中心部位，即离支座最远处，竖向 Y 方向的位移值为 62.635mm。查阅现行规范，该结构的挠度变形限值为L/250， L 为结构的短跨方向跨度，其中短跨长度为28500mm，28500/250=114mm ，小于短跨的 1/250，故满足刚度要求；4.2 强度校核图 5.4 各种工况组合下个单元应力云图由上图结果表明该结构的最大应力值为 141MPa，该结构均采用 Q235 钢材，经过查阅钢结构设计手册 ，钢材的抗拉压强度设计值为 195Mpa，故该结构满足强度要求。5 模态分析5.1 模态分析简介结构的模态分析就是确定结构的固有频率和振型。模态分析是其他更详细动力学分析的起点。关于平板网架结构固有振动分析方法主要有两种，即有限元法和拟夹层板法。有限单元法在目前的工程技术领域中的应用十分广泛。作为国际著名的通用有限元软件ANSYS正在被推广应用于建筑结构的设计与分析中。下面将介绍采用ANSYS软件分析平板网架结构的自振频率、振型方法。5.2 模态分析步骤网架结构的模态分析包括建立模型、加载与求解、扩展模态、和观察结果等四个步骤。模态分析中建立模型的过程包括指定单元类型、定义单元实常数、输入材料属性、建立几何模型和有限元模型等。但应该注意一下两个问题：1、网架结构的模态分析属于线性分析，也就是说，在模态分析中只有线性行为是有效的。2、在模态分析中必需指定材料弹性模量和密度。加载与求解完成的主要工作包括定义分析类型、指定分析选项、定义主自由度、施加约束和求解等。若要在POSTI中观察，必须先扩展模态，即将振型写入结果文件。操作过程包括重新进入求解器、激活扩展处理选项、指定荷载步选项和进行扩展处理。模态分析的结果，也就是模态扩展的结果将被写到结构分析结果文件，其结果数据要有结构的固有频率、已扩展的振型、相对的应力和力分布等。经过以上个步骤的操作我们就可以得到网架结构的固有频率，进而分析其自振特性的基本规律。5.3 网架的振型图经过 ANSYS 计算之后，得到下列网架的振型图，如图 5-1,5-2,5-3, 5-4 所示。图 5-1 第一振动频率下的振型图图 5-2 第二振动频率下的振型图图 5-3 第三振动频率下的振型图图 5-4 第四振动频率下的振型图5.4 网架的自振频率网架的自振频率和振幅，列于表 5.5。表 5.5 分析结果振型 频率（Hz） 周期（s） 振幅(m)1 7.3670 0.1357 0.0123282 10.537 0.0949 0.0124373 15.238 0.0656 0.0128654 16.454 0.0608 0.0100166 主要结论本文所述的网架结构通过建立空间杆系的有限元模型，对该网架结构位移、强度、刚度、模态分别进行了分析。 主要结论如下：1.在只有重力作用的工况下，可得 Y 方向的合力为 474.90kN，而网架的总面积为