利用ANSYS软件计算钢结构雕塑.doc

计 算 书CALCULATION DOCUMENT工程名称：钢结构雕塑工程编号：ZG2006M-226项目名称：开发区雕塑改造工程设计阶段：施工图设计专业：结 构计 算 人：校 对 人：审 核 人：项目负责人：一 工程概况该工程位于某市开发区入口，为钢结构雕塑类建筑，高度18m，为目前该市最高的雕塑类建筑，由于其为空间结构，体形复杂，目前钢结构设计软件处理针对问题的计算都不适用，一般处理这类问题均采用手工简化计算以及进行风洞试验和地震台试验的方法。受高新区建设局委托，我们的结构分析工作站克服建筑图纸不全的困难，从该结构1：30模型入手，采用正版的大型结构分析有限元软件包ANSYS进行了详细的结构分析，包括：自重荷载、风荷载、地震荷载以及组合分析，并进行了模态分析与时程分析。在结构分析的基础上，对原设计构想进行了改进。以下是结构计算说明书。工程地段: 某高新区主要材料钢 材：钢柱主肢418014热轧型钢格构柱横缀条807热轧型钢斜缀条807热轧型钢翅膀处 钢管1595 结构高度 18 m；宽度 25 m；长度 6 m；结构特点：本工程属钢结构雕塑，体形复杂，立面变化较大，只有一个方向为对称，整体属于不规则结构。基础形式独立基础抗震设防烈度 8 度，场地类别 III ；地基承载力特征值：130kPa。安全等级 2 级， 基本风压： 0.40 kN/人防布置无抗震缝设置无 二本工程电算选用软件本工程计算采用ANSYS大型有限元计算软件，ANSYS有限元软件包是一个通用设计分析程序，可以用来分析超高超限、结构体系复杂的大型有限元软件。从1971年2.0版发展至今，在机械、土木、电子及航空等不同领域的使用都能达到一定的可信度，在世界范围内已经成为土木建筑行业分析软件的主流。它可以解决许多工程中的结构分析问题，如结构的静力和动力分析；计算结构的整体和局部失稳；给出结构的自振频率和振型等。目前，国内已经成功的运用ANSYS软件进行了国家大剧院、2008年奥运会国家体育场等大型结构的分析工作。本结构通过ANSYS软件对该结构进行了自重荷载、风荷载、地震荷载以及组合分析，并进行了模态分析、地震反应谱分析和时程分析。 三. 设计依据建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）建筑结构荷载规范（GB50009-2001）混凝土结构设计规范（GB50010-2002）建筑抗震设计规范(GB 50011-2001)钢结构设计规范(GBJ 17-88)高耸结构设计规范(GBJ135-90)四结构计算：主体结构采用格构式钢柱，为主要受力构件，钢柱主肢418014热轧型钢，格构柱横缀条807热轧型钢，斜缀条采用807热轧型钢，两肢间拉杆钢管1595，翅膀采用159mm钢管，为附属结构。结构分析与建模：本结构内力计算的基本方法是有限单元法。在计算时，采用与构件类型相应的单元建立空间力学模型，对结构在竖向荷载、风荷载以及地震作用下的位移和内力进行分析，采用弹性方法计算，分析时把一段桁架作为基本单元。模型尺寸与构造完全按照施工现场已有结构的1：1比例来建模，并对部分不合理的构件进行了结构的优化和改进。1. 该结构翅膀构件在风载下端部节点处弯矩值较大，与主体桁架的节点连接不易处理，因此整体结构采用beam188单元建模，经过验算，采用所有杆件为承受轴向力的铰接杆系有限元方法与采用所有杆件为刚性连接的有限元方法计算误差不超过5，因此结构采用beam188建模合理可行。2. 钢结构构件材料本构模型假定为理想弹性材料，符合HOOKE定律。3. 按小挠度理论计算。 4. 总体控制指标：1） 强度满足钢结构承载力要求。2） 位移控制在H/100范围内3） 稳定性满足规范要求(结构整体考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求)4） 钢构件的连接满足规范要求5） 钢柱脚及混凝土基础满足规范要求5. 模型图：正立面图侧立面图轴测图：结构分析静力计算：1结构自重：钢材容重为7850kg/m3，结构自重为23035kg。TOTAL MASS =23035CENTROIDMOM. OF INERTIAABOUT ORIGINMOM. OF INERTIAABOUT CENTROIDXC=8.3500 YC=10.430ZC=0.75320IXX = 0.3112E+07IYY = 0.2577E+07IZZ = 0.5591E+07IXY = -0.2006E+07IYZ = -0.1870E+06IZX = -0.1450E+06IXX = 0.5926E+06IYY = 0.9554E+06IZZ = 0.1477E+07IXY = 1643.IYZ = -6025.IZX = -26.34重心位置在对称位置，高度控制在11米以下。2风荷载：风荷载为主要控制因素，对构件的承载力影响较大，根据建筑结构荷载规范规定，对于该种对风荷载比较敏感的结构应适当提高风压值，因此考虑基本风压W00.40KN/m2；风载通过静力的方式施加：依据建筑结构荷载规范GB50009-2001基本参数总高H18宽度B16.7地面粗糙度C类基本风压W00.4频率0.86基本自振周期T11.163 W0T120.541 0.62*W0T120.34 0.20.40.34查表7.4.3脉动增大系数2.182.042.242.18脉动影响系数V0.44H/B1.08 查表7.4.4-3体型系数体型系数ss120Z/H振型系数zd1600.10.02s/d0.750.20.06s0.750.30.140.40.23振型系数高度mZ/Hz0.50.3450.278 0.122 0.60.46100.556 0.407 0.70.59150.833 0.813 0.80.79181.000 1.000 0.90.8611各高度区风荷载标准值高度msz1.4Wk(kN/m2)50.750.741.1580.2570.360100.750.741.5270.3390.475150.750.742.0540.4560.638180.750.842.1420.5400.756风荷载值如下表：LIST NODAL FORCES FOR SELECTED NODES 1 TO 3332 BY 1 CURRENTLY SELECTED NODAL LOAD SET= FX FY FZ MX MY MZ * ANSYS - ENGINEERING ANALYSIS SYSTEM RELEASE 5.7 * ANSYS/Structural U 00099999 VERSION=INTEL NT 09:54:20 JUN 13, 2013 CP=0.953NODELABELREALNODELABELREALNODELABELREALNODELABELREAL16FZ-3031040FZ-2321239FZ-1251286FZ-12518FZ-3031042FZ-2321240FZ-1251288FZ-12520FZ-3031043FZ-2321242FZ-1251290FZ-12522FZ-3031046FZ-1431243FZ-1251292FZ-12549FZ-3031049FZ-1431245FZ-1251294FZ-12551FZ-3031051FZ-1431248FZ-1251296FZ-12553FZ-3031053FZ-1431250FZ-1251298FZ-12555FZ-3031055FZ-1431252FZ-1251300FZ-125127FZ-1431057FZ-1431254FZ-1251302FZ-125130FZ-1431059FZ-2321256FZ-1251304FZ-125157FZ-1431061FZ-2321258FZ-1251306FZ-1251021FZ-1431196FZ-2321262FZ-1251308FZ-1251024FZ-1431200FZ-2321265FZ-1251310FZ-1251026FZ-1431232FZ-1251268FZ-1251312FZ-1251028FZ-1431233FZ-1251271FZ-1251314FZ-1251030FZ-1431234FZ-1251274FZ-1251316FZ-1251032FZ-1431235FZ-1251277FZ-1251318FZ-1251034FZ-2321236FZ-1251280FZ-1251319FZ-1251036FZ-2321237FZ-1251282FZ-1251321FZ-1251038FZ-2321238FZ-1251284FZ-1251324FZ-125NODELABELREALNODELABELREALNODELABELREALNODELABELREAL1325FZ-1251366FZ-1251405FZ-1251445FZ-1251327FZ-1251367FZ-1251408FZ-1251447FZ-1251330FZ-1251369FZ-1251409FZ-1251515FZ-1251331FZ-1251372FZ-1251411FZ-1251544FZ-2321333FZ-1251373FZ-1251414FZ-1251546FZ-2321336FZ-1251375FZ-1251415FZ-1251548FZ-2321337FZ-1251378FZ-1251417FZ-1251550FZ-2321339FZ-1251379FZ-1251420FZ-1251552FZ-2321342FZ-1251381FZ-1251421FZ-1251553FZ-2321343FZ-1251384FZ-1251423FZ-1251555FZ-2321345FZ-1251385FZ-1251426FZ-1251557FZ-2321348FZ-1251387FZ-1251427FZ-1251590FZ-1421349FZ-1251390FZ-1251429FZ-1251591FZ-1421351FZ-1251391FZ-1251432FZ-1251593FZ-1421354FZ-1251393FZ-1251433FZ-1251595FZ-1421355FZ-1251396FZ-1251435FZ-1251598FZ-1421357FZ-1251397FZ-1251438FZ-1251600FZ-1421360FZ-1251399FZ-1251439FZ-1251602FZ-1421361FZ-1251402FZ-1251441FZ-1251604FZ-1421363FZ-1251403FZ-1251444FZ-1251682FZ-303NODELABELREALNODELABELREALNODELABELREALNODELABELREAL1684FZ-3032708FZ-2322906FZ-1252954FZ-1251686FZ-3032709FZ-2322908FZ-1252956FZ-1251688FZ-3032712FZ-1432909FZ-1252958FZ-1251715FZ-3032715FZ-1432911FZ-1252960FZ-1251717FZ-3032717FZ-1432914FZ-1252962FZ-1251719FZ-3032719FZ-1432916FZ-1252964FZ-1251721FZ-3032721FZ-1432918FZ-1252966FZ-1251793FZ-1432723FZ-1432920FZ-1252968FZ-1251796FZ-1432725FZ-2322922FZ-1252970FZ-1251823FZ-1432727FZ-2322924FZ-1252972FZ-1252687FZ-1432862FZ-2322928FZ-1252974FZ-1252690FZ-1432866FZ-2322931FZ-1252976FZ-1252692FZ-1432898FZ-1252934FZ-1252978FZ-1252694FZ-1432899FZ-1252937FZ-1252980FZ-1252696FZ-1432900FZ-1252940FZ-1252982FZ-1252698FZ-1432901FZ-1252943FZ-1252984FZ-1252700FZ-2322902FZ-1252946FZ-1252985FZ-1252702FZ-2322903FZ-1252948FZ-1252987FZ-1252704FZ-2322904FZ-1252950FZ-1252990FZ-1252706FZ-2322905FZ-1252952FZ-1252991FZ-125NODELABELREALNODELABELREALNODELABELREALNODELABELREAL2993FZ-1253033FZ-1253074FZ-1253113FZ-1252996FZ-1253035FZ-1253075FZ-1253181FZ-1252997FZ-1253038FZ-1253077FZ-1253210FZ-2322999FZ-1253039FZ-1253080FZ-1253212FZ-2323002FZ-1253041FZ-1253081FZ-1253214FZ-2323003FZ-1253044FZ-1253083FZ-1253216FZ-2323005FZ-1253045FZ-1253086FZ-1253218FZ-2323008FZ-1253047FZ-1253087FZ-1253219FZ-2323009FZ-1253050FZ-1253089FZ-1253221FZ-2323011FZ-1253051FZ-1253092FZ-1253223FZ-2323014FZ-1253053FZ-1253093FZ-1253256FZ-1423015FZ-1253056FZ-1253095FZ-1253257FZ-1423017FZ-1253057FZ-1253098FZ-1253259FZ-1423020FZ-1253059FZ-1253099FZ-1253261FZ-1423021FZ-1253062FZ-1253101FZ-1253264FZ-1423023FZ-1253063FZ-1253104FZ-1253266FZ-1423026FZ-1253065FZ-1253105FZ-1253268FZ-1423027FZ-1253068FZ-1253107FZ-1253270FZ-1423029FZ-1253069FZ-1253110FZ-1253032FZ-1253071FZ-1253111FZ-125总计-472623地震荷载：设防烈度8度，III类场地。阻尼比根据高层钢结构抗震规范取为0.02。地震影响系数按下图取值计算地震反应谱： 4裹冰荷载：高度(m)bd12q(kN/m)圆形截面10101590.3190.01374132618101590.31.1290.015424486高度(m)b2q(kN/m)非圆形截面1010190.05418101.1290.060485雪荷载：基本雪压：S0=0.35kN/m2 Sk=rS0=1X0.35=0.35S=0.159X0.35=0.05565kN/m注：因裹冰荷载和雪荷载均很小，计算时未考虑。荷载组合：1 基本组合：（第一荷载工况）s= 分项系数取1.0计算位移： S=恒载+风载基本组合下单元节点最大位移（单位 米）NODEUXUYUZROTXROTYROTZNode137613821352142415391411Value-0.054142-0.03303-0. 15954-0.0144470.0148010.028856结构整体最大位移Umax0.168主体结构的最大位移在顶点处节点3256、节点1590 U=0.0585m位移最大值h/100，则稳定性满足。图示为结构受荷前后位置：S=1.2恒载+1.4风载 计算内力：第 37 页 共 37 页轴力最大值：（单位 牛顿）轴力最大值：（单位 牛顿）ELEM 675 639 VALUE -236277 160629 轴力图：对于组合1情况： 对于组合2情况：主体桁架不同单元对应的最大轴力 主体桁架不同单元对应的最大轴力单元675N236KN单元679N113KN单元240N80KN单元240N60.7KN单元568N77.6KN单元568N23.5KN单元152N61KN单元152N44KN单元481N21.3KN单元482N8.57KN压干稳定验算：截面计算长度mm轴力KN面积cm2iv（cm）长细比稳定系数N/(A)比较允许值折减系数fL18090 3.57 33.613 0.92352.509 满足139.840 0.650 215L140x1211008032.51 2.77 39.711 0.90127.312 满足141.807 0.660 215L110x7150377.615.20 2.20 68.318 0.76167.086 满足151.033 0.702 215L80x716396110.86 1.58 103.734 0.531105.780 满足162.454 0.756 215L63x690921.37.29 1.24 73.306 0.7340.025 满足152.641 0.710 215组合2截面计算长度mm轴力KN面积cm2iv（cm）长细比稳定系数N/(A)比较允许值折减系数fL18090 3.57 33.613 0.92325.036 满足139.840 0.650 215L140x12110060.732.51 2.77 39.711 0.90120.723 满足141.807 0.660 215L110x7150323.515.20 2.20 68.318 0.76120.316 满足151.033 0.702 215L80x716394410.86 1.58 103.734 0.53176.301 满足162.454 0.756 215L63x69098.577.29 1.24 73.306 0.7316.104 满足152.641 0.710 215以上20150，满足要求弯矩最大值：弯矩扭矩最大值：X方向扭矩ELEM 274 811 VALUE -4317 4301 Y方向弯矩ELEM 637 96 VALUE -177939 106428 Z方向弯矩ELEM 637 100 VALUE -82815 82775 对应的扭矩图与弯矩图：剪力最大值：Y方向ELEM 93 630 VALUE -36034 35899 Z方向ELEM 630 93 VALUE -33457 33538 对应的剪力图：2地震作用效应组合：（第二荷载工况）S= 分项系数取1.0计算位移地震作用效应组合下节点位移：（单位 米）NODEUXUYUZROTXROTYROTZNODE137613821352142414111423VALUE0.0478-0.0306-0.1407-0.0131-0.01327-0.00256结构整体最大位移Umax0.149主体结构的最大位移在顶点处节点3256、节点1590 U=0.0543m位移最大值h/100，则稳定性满足。图示为结构受荷前后位置：S=1.2恒载+1.3水平地震荷载+0.21.4风载 计算内力：轴力最大值：ELEM 679 658 VALUE -0.11291E+06 50395 弯距最大值：X方向弯矩ELEM 918 381VALUE -4214 4231Y方向弯矩ELEM 637 1083VALUE -39703 25485Z方向弯矩ELEM 637 100VALUE -17074 17054对应的弯矩图剪力最大值：Y方向的剪力ELEM 93 630VALUE -21231 21118Z方向的剪力ELEM 919 382VALUE -22875 226893.半跨荷载计算S=1.2恒载+1.4风载 计算内力：轴力最大值：（单位 牛顿）ELEM 675 656 VALUE -0.15361E+06 88528 轴力图：弯矩扭矩最大值：X方向扭矩ELEM 294 381 VALUE -5627.8 8463.0 Y方向弯矩ELEM 100 638 VALUE -100540 45592 Z方向弯矩ELEM 637 100 VALUE -46206 44577 对应的扭矩图与弯矩图：剪力最大值：Y方向ELEM 919 382 VALUE -26182 30084 Z方向ELEM 93 630 VALUE -28919. 21532 对应的剪力图：S=1.2恒载+1.3水平地震荷载+0.21.4风载 计算内力：轴力最大值：ELEM 679 658 VALUE -0.10688E+06 45029轴力图：弯矩扭距最大值：X方向扭矩ELEM 918 381 VALUE -3312.3 4154.6 Y方向弯矩ELEM 633 97 VALUE -26921 30427 Z方向弯矩ELEM 96 633 VALUE -3312.3 4154.6 对应的弯矩图：剪力最大值：Y方向ELEM 919 382 VALUE -21246 21881 Z方向ELEM 93 630 VALUE -21009 19449 对应的剪力图：结构模态分析计算：采用Block Lanczos方法计算：结构前20阶振型对应的频率与周期频率周期10.8608261.161720.9242981.081931.7550.569842.940870.3400453.016860.3314765.329320.1876475.892520.1697186.245140.1601296.637120.15067107.096860.14091118.105240.12338128.282770.12073138.5890.11643148.798920.113651510.13789.86E-021610.29289.72E-021710.90839.17E-021811.36448.80E-021912.32178.12E-022012.96147.72E-02各方向主振型及参与系数* PARTICIPATION FACTORCALCULATION * X DIRECTIONX方向振型参与系数MODEFREQUENCYPERIODPARTIC.FACTORRATIOEFFECTIVE MASSCUMULATIVE FRACTION10.8608261.1617-9.32E-020.0009088.69E-034.37E-0720.9242981.081933.5520.3267681125.725.66E-0231.7550.5698-7.46E-030.0000735.57E-055.66E-0242.940870.34004-13.9490.135848194.5626.64E-0253.016860.331470.164420.0016012.70E-026.64E-0265.329320.1876446.4440.452332157.060.17477375.892520.169715.25E-030.0000512.75E-050.17477386.245140.1601224.3560.23721593.2230.20458896.637120.15067-3.69E-020.000361.37E-030.204588107.096860.1409124.730.24085611.570.235325118.105240.123383.7590.03660914.12980.236035128.282770.12073102.68110542.70.76591138.5890.1164365.4640.6375714285.580.981303148.798920.11365-1.00160.0097551.00320.9813531510.13789.86E-020.310250.0030229.63E-020.9813581610.29289.72E-02-10.0030.097422100.0620.9863871710.90839.17E-0210.0540.097919101.0850.9914681811.36448.80E-02-7.96E-020.0007756.33E-030.9914681912.32178.12E-0213.0180.12679169.4810.9999862012.96147.72E-02-0.52320.0050960.2737371SUM OFEFFECTIVE MASSES=19896.6* PARTICIPATION FACTORCALCULATION * Y DIRECTIONY方向振型参与系数MODEFREQUENCYPERIODPARTIC.FACTORRATIOEFFECTIVE MASSCUMULATIVEFRACTION10.8608261.16176.1950.0908338.37773.31E-0320.9242981.0819-2.15E-020.0003154.61E-043.31E-0331.7550.5698-7.80660.11445960.94238.56E-0342.940870.340040.270090.003967.29E-028.56E-0353.016860.3314724.790.363463614.5196.15E-0265.329320.18764-0.241130.0035355.81E-026.15E-0275.892520.16971-9.51940.13957390.61916.93E-0286.245140.16012-0.260670.0038226.80E-026.93E-0296.637120.15067-18.5560.272067344.3249.90E-02107.096860.140910.180180.0026423.25E-029.90E-02118.105240.12338-68.20414651.750.499858128.282770.120732.02250.0296534.090360.50021138.5890.11643-0.113060.0016581.28E-020.500212148.798920.11365-65.9050.9663034343.530.8744981510.13789.86E-024.35520.06385518.96760.8761331610.29289.72E-020.116250.0017041.35E-020.8761341710.90839.17E-02-0.266180.0039037.09E-020.876141811.36448.80E-02-14.1960.208136201.5160.8935051912.32178.12E-02-0.288990.0042378.35E-020.8935122012.96147.72E-0235.1540.515421235.771SUM OFEFFECTIVE MASSES=11604.8* PARTICIPATION FACTORCALCULATION * Z DIRECTIONZ方向振型参与系数MODEFREQUENCYPERIODPARTIC.FACTORRATIOEFFECTIVE MASSCUMULATIVEFRACTION10.8608261.161797.55419516.870.55302120.9242981.08190.257560.002646.63E-020.55302531.7550.569872.7660.74595294.870.86070842.940870.340040.248560.0025486.18E-020.86071153.016860.3314725.9210.265712671.9210.89975665.329320.187644.82E-020.0004942.32E-030.89975675.892520.169710.493430.0050580.2434730.89977186.245140.160128.77E-020.0008997.69E-030.89977196.637120.1506711.2710.115535127.0340.907153107.096860.14091-0.106330.001091.13E-020.907154118.105240.1233837.8640.3881281433.650.990463128.282770.12073-1.29350.013261.673230.99056138.5890.11643-0.113980.0011681.30E-020.990561148.798920.113658.09870.08301765.58880.9943721510.13789.86E-02-3.75760.03851814.11940.9951921610.29289.72E-02-7.96E-020.0008166.33E-030.9951931710.90839.17E-020.228120.0023385.20E-020.995196181