玻璃顶梁结构分析及应用sap2000设计

1、顶梁结构分析及应用 SAP2000 设计、MIDAS 复核的实例：2011-09-28【作者】：【提要】：通过对顶梁结构分析，应用结构分析软件 SAP2000 进行了各种工况下的分析、同时应用 MIDAS 软件对其计算进行了复核，计算结果基本一致。【】：梁结构、SAP2000、MIDAS1、概述本项目为梁结顶梁工程，跨度 24.6 米。eam String Structure，简称 BSS）的概念由M·Saitoh 教授在20 世纪 80 年代初首先提出，它得名于“弦通过撑杆对”这一基本形式，是杂交空间结构在大跨体系中的良好尝试。梁结构是由上弦刚性拱（或组合桁架）、撑杆以及下弦柔性索

2、组成的自平衡受力体系，其合理地将各种构件（抗拉、抗压、抗压弯）组合在一起，充分发挥了其各自的材料力学性能，因而整系具有许多良好的受力性能。例如，弦的预应力使结构产生反挠度，故结构在荷载作用下的最终挠度可以减小，从而提高结构的整体刚度。撑杆对抗弯受压构件提供弹性支撑，后者的受力性能。本设计采用目前应用较为成结构分析软件 SAP2000 进行了各种工况下的分析。根据相关规范验算了所有杆件在各种工况下的强度、稳定及刚度等。同时应用 MIDAS 软件对其计算进行了复核，计算结果基本一致。2、设计依据的规范及规程1） 预应力钢结构技术规程（CECS212-2006）2） 结构荷载规范（GB50001-2

3、001）（2006 年版）3） 抗震设计规范（GB50011-2001）（2008 年版）4） 钢结构设计规范（GB50017-2003）5） 钢结构焊接与验收规程（JGJ81-91）6） 钢结构工程施工与验收规范（GB50205-95）7） 钢结构工程质量检验评定标准（GB50221-95）3、荷载计算1） 恒载荷载及其计算：17.5/1000×26=0.455kN/m2；遮阳系统荷载：0.25 kN/m2； 檩条荷载：0.13 kN/m2；排烟窗系统荷载：0.2 kN/m2。总计：0.455+0.25+0.13+0.2=1.035kN/m2；2） 活载屋面：0.5 kN/m23）

4、屋面：本结构为风荷载敏感结构，基本风压按百年一遇考虑，基本风压为 0.4面粗糙类别 B 类计算。竖向 T= S。kN/m2，地4）荷载：按 8 度（0.2g）抗震计算，类场地。0.65×0.16 的水平影响系数。5） 温度荷载：本次设计对温度荷载取室外温度升高到 43时温度工况，以及室外温度降低-30 时温度工况。6） 预应力荷载：以施加温度荷载的方式对下弦单元施加预应力，对梁而言,保持下弦始终处于受拉状态是结构存在的必要条件。因此，对下弦拉杆所施加的预应力应保证在风荷载最不利工况下下弦拉杆仍处于受拉状态。4、荷载工况组合对于梁结构，施工阶段即施加预应力和自重阶段，其非线性较强，而在

5、其他荷载条件（如恒载、活载、等工况）下，若上弦梁刚度不是很小或者预加应力不是很大时，一般认为梁结构非线性因素的以忽略。本设计中，对 YT+ZD（自重加预应力工况）进行非线性分析，以该分析的终点刚度对结构进行模态分析，对其余工况（恒载、活载、风载等）进行线性分析。1）YT+ZD此工况为自重加预应力工况，其中 YT 为预应力荷载，ZD 为自重荷载。在施工过程中非线性较强，对其进行非线性分析。分项系数均为 1.0。此工况在施工预拱阶段，在各荷载施加时同时存在，分析时一并考虑。对梁结构而言，保持始终处于受拉状态是结构存在的必要条件。对台上进行，在此阶段，施加足够的预应力是一种有效的措施，但屋架的一般在

6、拼装的预应力在克服结构自重后起拱并处于受状态。2）YT+ZD+1.0D+0.5L此工况主要用于结构施工完成后梁的最终位形，其中 D 为恒荷载，L 为活荷载。由于计算的活载较为保守，对其乘以 0.5 来计算3）D+L梁的最终位形。此工况主要用于梁结构的挠度，其中 D 为恒荷载，L 为活荷载。4）1.2D+1.4L+1.0（-TEMP）+1.32（YT+ZD）此工况为梁竖向最大受力工况，其中，D 为恒荷载，L 为活荷载，-TEMP 为室外温度降低到-30时温度荷载，YT+ZD 为自重加预应力工况。预应力钢结构技术规程（CECS212-2006）3.2.1 节可知，预应力分项系数pi 对结构有利1.

7、0，不利1.2。而系数T 由 3.2.2 节可知，当杆件的荷载应力与预应力符号相同，或符号相反但杆件的预应力值大于应力值时，反时，系数T 取 0.9。系数T 取 1.1；当杆件荷载应力值大于预应力值且符号相对于此工况，YT+ZD 工况分项系数应取 1.2×1.1=1.32。以考虑此预应力工况对结构的不利影响。-TEMP 工况下杆件受拉，因此考虑其的不利影响。5）0.6D+1.4W+1.0（+TEMP）+0.9（YT+ZD）此工况为风吸力工况，其中，D 为恒荷载，W 为风荷载，+TEMP 为室外温度升高到 40时温度荷载，YT+ZD 为自重加预应力工况。梁结构的设计必须考虑风吸力作用下

8、的稳定问题。当风吸力大于屋盖结构自重时，松弛而工作，结构整体失效。对梁结构而言，保持始终处于受拉状态是结构存在的必要条件。在风吸力作用下，恒载属于有利荷载，对其取分项系数 0.6 进行折减；另外，活载也是有利荷载，该工况不予考虑；风荷载为不利荷载，分项系数取 1.4；+TEMP 下结构受压， 考虑其不利影响；对于 YT+ZD 工况，根据预应力钢结构技术规程（CECS212-2006）3.2.1 节及 3.2.2 节可知，预应力分项系数pi 对结构有利且当杆件荷载应力值大于预应力值且符号相反；因此 YT+ZD 工况分项系数应取 1.0×0.9=0.9。设计对预应力的施加应保证在该工况下

9、下弦仍处于受拉状态。6）1.2D+0.6L+1.0（+TEMP）+1.3EQZ+1.32（YT+ZD）此工况主要考虑竖向对结构的影响，其中，D 为恒荷载，L 为活荷载，+TEMP 为室外温度升高到 43时温度荷载，EQZ 为荷载，YT+ZD 为自重加预应力工况。7）1.2D+0.6L+1.0（-TEMP）+1.3EQZ+0.9（YT+ZD）此工况主要考虑竖向对结构的影响，需保证结构在此工况下下弦杆仍处于受拉状态。其中，D 为恒荷载，L 为活荷载，-TEMP 为室外温度降低到-30时温度荷载，EQZ 为荷载，YT+ZD 为自重加预应力工况。8）1.2halfdead+1.4halflive+1.

10、0（-TEMP）+1.32（YT+ZD）此工况主要考虑半跨荷载对结构的不利影响，其中，halfdead 为半跨恒荷载， halflive 为半跨活荷载，-TEMP 为室外温度降低到-30时温度荷载， YT+ZD 为自重加预应力工况。5、结构分析模型目前不同的研究对梁结构提出了不同的力学模型，总的来说有 2 种：将撑杆连续化，将整个结构看作是特殊的鱼腹梁；将梁（拱）离散成若干单元，用有限元方法进行分析。对梁结构提出如下假设：材料符合虎克定律；拱梁与索之间的撑杆是连续分布的，即把拱梁与索之间的离散力简化为连续分布的作用力，并假定这些连续撑杆为刚性，不考虑其轴向变形；曲梁的曲率半径与截面高度之比 R

11、/h5，符合小曲率构件假设；仅考虑小垂度和竖向荷载作用。因梁结构中的索通常属于只拉不压型非线性单元，因此计算时需考虑几何大变形这一非线性因素。基于上述假设，考虑几何非线性的列出以下平衡方程：联立以上各式，结合边界条件即可求解。梁结构在施加预应力阶段和使用荷载阶段的计算均可采用以上各式，该法很好地体现了梁结构的受力特性，采用的理论比较完善，基本假设与实际相符。但由于考虑几何非线性，采用理论公式计算解并不现实，需借助计算机技术，采用数值方法解决。目前已能非常方便地解决相关问题，并在工程结构设计中得到应用。采用有限元法建立结构计算模型可将梁结构离散化为梁单元、索单元和杆单元。对直接采用曲线形式，或将

12、梁单元直线化，采用多段直线单元形式；对撑杆可采用二力杆单元；对下弦索考虑其几何非线性，需建立单元刚度矩阵和整体刚度矩阵，通过数值方法求解。6、结构模型与振型本结构采用目前应用较为成对其计算进行了复核。1）结构整体模型结构分析软件 SAP2000 设计。同时应用 MIDAS 软件2）结构振型内力分析与结构位移：（各工况内力、变形及结构应力比）1）杆件截面所有杆件均采用 Q345B 级钢材，其中，上弦杆截面为 300×200×16×20 矩形管，撑杆截面为87×7，下弦截面为40 不锈钢拉杆（弹性模量 E=1.9×105 2）各荷载工况下内力、变形

13、a、预应力荷载N/mm2）。b、恒载c、活载d、e、竖向荷载f、+TEMP 荷载g、-TEMP 荷载h、半跨恒荷载i、半跨活荷载2）各荷载组合下内力、变形a、ZD+YTb、YT+ZD+1.0D+0.5Lc、D+Ld、1.2D+1.4L+1.0（-TEMP）+1.32（YT+ZD）e、0.6D+1.4W+1.0（+TEMP）+0.9（YT+ZD）f、1.2D+0.6L+1.0（-TEMP）+1.3EQZ+0.9（YT+ZD）g、1.2halfdead+1.4halflive+1.03）杆件的应力比杆件应力比在进行设计时，对于上弦截面，平面内计算长度取为撑杆间或撑杆到支座的间距，平面外计算长度按杆

14、间距取为 3 米，最大应力出现在撑杆附近，最大应力比为 0.86；对于下弦拉杆，最大应力比为 0.345；两撑杆应力比为 0.363。8、撑杆的平面外稳定在梁的分析中，撑杆上下两端均按铰接来考虑。当撑杆所受轴力较大时，撑杆似乎会出现绕上端支点出平面的失稳，然而，绝大部分情况下结构是一个自平衡的稳定体系，一般出现撑杆平面外的失稳，下面以一简单的单撑杆梁模型进行说：9、计算校核为了保证计算的正确性，用 SAP2000 计算完成后，用 MIDAS 软件对其位形以及杆件内力进行了校核，计算中杆件截面、荷载取值相同，两种软件典型工况下对比如下所示。a、ZD+YTb、YT+ZD+1.0D+0.5Lc、D+Ld、1.2D+1.4L+1.0（-TEMP）+1.32（YT+ZD）根据以上的对比可知，两种软件计算在典型工况下的位移及内力相差较小，由此可知，根据上述计算结果是合理的。参 考12345文献，钢结构设计北京：中国工业，2008，sap2000 结构工程分析及实例详解，半刚性连接钢框架结构设计北