某空间网架力学性能分析报告教材

1、某空间网架力学性能分析报告学院：理学院专业：工程力学姓名： x学号： x指导老师：x0某空间网架力学性能分析报告某网架位于山西省大同市，为了满足需要，网架覆盖面积 1158 m 2 。此网架提供四根柱进行多点支承。此次力学分析不考虑地震设防，不进行稳定分析。1. 工程概况1.1 网架型式：螺栓球节点正方四角锥网架1.2 网架平面轴线尺寸： 52.5m28.5m1.3 支承形式：下弦多点支承2. 设计与施工必须遵守以下规范2.1 网架结构设计与施工规范(JGJ7-91) ；2.2 钢结构设计规范 (GB50017-2003) ；2.3 钢结构工程施工质量验收规范(GB50205-2001)；2.

2、4 钢网架行业标准 (JGJ75.1 75.3-91) ；2.5 钢网架螺栓球节点用高强度螺栓(GB/T16939)结构选型与设计规范相符。3. 结构的材料3.1 钢管：选用 GB700中的 Q235钢 , 采用高频焊管或无缝钢管；3.2 高强螺栓：选用GB3077中的 40Cr 或 20MnTiB；等级符合 GB/T169393.3 钢球 : 螺栓球选用 GB699中的 45 号钢；3.4 封板锥头 : 选用 Q235钢，钢管直径大于等于 75 时须采用锥头，连接焊缝以及锥头的任何截面应与连接的钢管强度，厚度应保证强度和变形的要求，并有试验报告。3.5 套筒 : 选用 Q235钢，截面与相应

3、杆件截面等同；3.6 焊条 :Q235 钢与 Q235钢直接焊接选用 E43XX,Q235钢与 45 号钢之间焊接选用E50XX；3.7 材料应具有质量证明及验收报告， 钢球须打上工号， 所有焊件应编焊工工号，所有产品的质量应符合钢网架行业标准 JGJ75.4设计技术参数14.1 静荷载上弦层： 0.30KN/m2下弦层： 0.15KN/m24.2 活荷载： 0.50KN/m24.3 基本风压： 0.5KN/m 2（ 10m 高出）4.4 温度差： -10 304.5 计算机程序自动形成网架自重4.6 荷载必须作用在节点上，杆件不承受横向荷载5. 结构平面布置图5.1 本设计采用 ANSYS建

4、模进行计算分析。图 5-1 网架平面布置图2图 5-2 上弦层平面布置图图 5-3 下弦层平面布置图3图 5-4 腹层平面布置图5.2 结构所选杆件的材料参数表 5-1抗拉强度设抗压强度设计值计值弹性模量 E材料泊松比f t (N mm2 )f c (N mm2 )（GPa）Q235b2152152060.35.3 荷载计算由于该网架结构不考虑抗震和不进行稳定性分析，只进行网架的力学性能分析，且计算机程序自动形成网架自重。那么在受风压和雪荷作用下的计算值：工况： 1.4 风荷载 +1.4 0.7 雪荷载6. 有限元模型6.1 基本假定在网架结构中，节点起着连接汇交杆件，传递屋面荷载和吊车荷载的

5、作用。模型试验和工程实践都已表明，对空间网架结构可将节点假定为铰接，即忽略节点刚度的影响。网架结构计算分析中，杆件都处于弹性状态，即不考虑材料的非线性性质。由于网架在受载状态产4生的挠度远远小于网架的厚度，可认为符合小挠度范围。即在计算中采用以下假定：6.1.1 忽略节点刚度的影响；6.1.2 网架的节点为空间铰接节点，每一个节点有三个自由度，杆件只受轴力作用；6.1.3 杆件处于弹性工作阶段，并认为荷载作用下的网架变形二次效应很小，可以忽略；6.1.4 网架处于小应变状态。6.2 荷载取值6.2.1基本荷载数值在荷载选择方面，在此我们选择一个最常规的荷载模式，就是在永久荷载、本身自重以及风、

6、雪、活荷载的作用下，其中忽略了一些次要的荷载。静荷载：计算机程序自动形成网架自重风荷载：式中：kz s z 0（1）k 风荷载标准值， (KN/m 2)；z z 高度处的风振系数；s 风荷载体型系数；z 风压高度变化系数；0 基本风压， (KN/m 2)。根 据建 筑结 构荷 载 规范 ( GB50009-2001)来取值：风压按 50年一遇考虑，在 10m 高 处，基 本风 压0 =0.55 KN/m2；大同的地面粗糙度是 C 类，；z =1.0；。z =0.74s =0.6故k =1.0 0.6 0.74 0.55=0.244（KN/m 2）（ 2）雪荷载：SKrS 0（3）式 中：SK

7、雪 荷载 标准 值 (KN/m2) ；r 屋面 积 雪分 布系 数；S0 基本 雪压 (KN/m 2 ) 。根据建筑结构荷载规范(GB50009-2001) 来取值：雪压按 50 年一遇考虑，5(plasticity, creep, swelling, stress stiffening, and largeS0 =0.25 kN/m 2； r = 1.0 。 故S =1.0 0.25 = 0.25 KN/m2（4）K6.2.2 荷载组合常规荷载效应组合： S G SG 1.4SQ +1.4 CiSQik（5）式中 SG 永久荷载标准值；SQ 活荷载标准值；G 永久荷载分项系数。那么除自重外其

8、荷载为： 1.4 0.25+1.4 0.7 0.244=0.58912KN/m2；网架面积为1158m2；则荷载总值为： 1158 0.58912=682.20096KN；平均到每个上弦节点上的力为：682.20096/283103=2410.6N6.2.3 单元选取单元选用 LINK8-3-D 杆， LINK8 是一种能应用于多种工程实际的杆元素。元素能被应用于桁架，垂缆，杆件，弹簧等。 这个三维 的杆元素只能承受单轴的拉压，元素每个节点上有三个自由度： x,y, 和 z 方向的位移。 在销钉式结构中元素不允许有弯曲。塑性，潜变，膨胀，应力强化，大变形deflection)都是允许的。图示

9、6-1. LINK8 3-D杆6.2.4 建模与分网网架是由很多杆件按一定规律组成的空间桁架体系，属于高次超静定结构。要想精确地分析它的内力和变形是相当复杂的。目前常用的方法有精确计算方法空间网架位移法和简化计算方法交叉梁系分析法、拟板法等。为建立合理的、能真实反映结构实际性能的计算模型，在计算中采用了整体空间计算模型，本次网架的空间分析模型采用命令流编写，建模详见表6表 6-1下弦节点下弦节点上弦节点上弦节点数节点总数自由度数目方程数目编号个数编号1299299300 58228358265136513下弦单元下弦单元上弦单元上弦单元数腹杆单元腹杆单元数单元总数编号个数编号编号1568568

10、569 10935251094 217110782171坐标系选取：下弦层为xoy 面，上弦所在方向为z 的正向，具体如图所示。图 6-2 有限元模型平视图7图 6-3 有限元模型立体图7. 计算结果分析本网架结构在采用ANSYS建模时是以毫米为单位，所以为了单位的统一，涉及到的实常数设置如下表7-1 所示：表 7-1杆件编号截面类型截面积回转半径148 3.50489.30315.78171260 3.50621.249920.01406375 3.75839.394325.22555489 4.001068.14130.085351144.001382.30138.9165861404.0

11、01709.02648.1040571596.002883.98254.135257.1 变形校核8图 7-1 荷载作用下节点产生的总位移（mm）图 7-2 荷载作用下节点产生的Z 方向的位移（ mm）9从图中可以得到以下数据，具体如表如下：表 7-2工况节点编号总位移 (mm)Z 方向位移短跨长度比较(mm)L(mm)151412.015-11.91724750 L250按照网架结构设计与施工规程 (JGJ7-1991) ，主体网架结构挠度控制在L/250 。本网架结构在风荷载组合作用下，结构的最大的节点z 向位移为 -11.917mm，小于 L/250 ，故可认为满足变形要求。7.2 强度

12、校核经过 ANSYS建模计算之后，通过单元表控制单元的轴向应力的输出，可以得到以下应力分布图。图 7-3 荷载作用下的轴力分布图（N）有图可知，在荷载组合情况下，各构件最大拉力杆为536 单元，拉力为28285N，28285/1382.30=20.5MPa 最大压应力杆为1019 单元，压力为 68490N，68490/2883.9=23.75MPa根据钢结构设计规范(GB50017-2003) 可知，各构件均小于许用应力，满足设计和规范要10求。8. 模态分析模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频

13、率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。本报告采用计算模态分析，6 阶模态依次如下图所示：表 8-1SETTIME/FREQLOAD STEPSUBSTEPCUMULATIVE10.2332211120.3341212230.4848813340.4961914450.6264215560.645661661112139. 结论通过以上结果的提取和分析知道：在各种荷载工况设计值作用下，该网架杆件的最大设计应力满足要求，即小于 Q235钢材的设计强度 210MPa；最大挠度值为 12.015mm，小于规范的允