某博物馆钢结构静力和模态分析.pdf

·076· 某博物馆钢结构静力和模态分析 刘杰，黄卓， 陈志华， 杜涛 (天津大学建筑工程学院 天津300072) 摘要：本文介绍了采用仿生学原理设计的某博物馆空间钢结构体系，通过应变测试分析了工程竣工时网壳杆件的应 力水平，同时用NqSYS分析了结构在几种工况下的位移内力，并进行了模态分析．得出前20阶频率和振型，由此得出 此结构的一些受力性能。最后．本文提出了一些结论和建议供相关工程参考。 关键词：仿生学网壳有限元分析ANSYS 1工程概况 某博物馆建筑外形设计采用仿生学原理，塑造为一展翅飞翔中的天鹅，造型独特、优美。屋盖体系采 用正交正放四角锥嫘栓球节点双层网壳，尧面外形是半径为158m球面的一部分，总高度33．4m，屋盖直径 达183m，表面积为15539m2。在网壳下弦高处边界上，以直径为700==的圆钢管取代所有下弦杆件和节点， 作为屋顶顶部边界，以钢管为界，中央部分向下延伸为以10根空间箱型变截面钢梁为骨架的中央玻璃幕 墙，两侧向下延伸星放射状的桁架结构体系的侧玻璃幕墙。其空间钢结构模型如图1所示： 图2网壳支撑体系 圜1空嘲钢绦构模型 屋顶壳面由网壳、檩材、折板、保温层及镀瓷铝面板等构成。网壳厚度为2m，网格尺寸为2．5m～4．1m。 杆件采用圆钢管，网壳支撑体系如图2所示．由以下3部分组成： 1)、下部结构支撑。网壳中间部分通过和下部混凝土结构相连的钢柱把荷载传递给下部混凝土结构。 柱头直接连接网壳下弦的球节点，柱脚由钢管变形铰接桂来支承。此柱不能承担水平力，只能承担竖向力。 2)、外周圈的钢结构柱和带斜撑的钢架。柱头和1)相同。柱脚采用板铰支座，设计的节点形式能约 束斜撑结构面内的移动，而允许结构平面外转动。 3)、网壳下弦高处边界上直径为700R的圆钢管。 2静力分析 2．1结构应力应变测试 从网壳安装完毕，开始铺设下层折板开始到整个工程结束，我们选择了36根应变设计值较大和具有 用软件模拟测试前结构初应变。通过对屋面网壳的瘦变跟踪测试。我们分析了结构在竣工时的反应。应变、 作者简介：刘蒜n．954)．舅．藤瑗_r：程嘶I．’、：圣从搴钢牙掏驳妊曩蘑础箍捌研宅 黄卓‘|979．鹦．预lI趼究‘I-．1t爱从事铡锚钩‘，{甄五}【宽 ·077· 应力和轴力最大值见表1： 测点位置 最大应变值肛￡ 最大应力值MPa 最大轴力KN 上弦杆 350 72 294 下弦杆 301 -62 253 I 腹杆 315 65 323 根据测试结果可以看出，网壳在竣工时总体应力水平较低，多数杆件受力较小，结构都还处在弹性阶 段，有很大的安全储备。 2．2ANSYS有限无分析 2．2．1模型建立与荷载工况 在模型中忽略网壳节点刚度，节点视为铰结。外周圈钢结构柱、带斜撑的钢架、直径700mm的圆钢管 和圆钢管焊接的下弦杆及腹杆、中央幕墙骨架和侧幕墙桁架采用梁单元Beam4，其他网壳杆件和下部结构 支撑柱采用杆单元Link8。外周圈的钢结构柱和带斜撑的钢架柱脚允许结构平面外的转动。设计荷载： 1)恒荷载，包括网壳自重、檩材、折板、保温层及镀瓷铝面板等。网壳自重由程序自动生成，檩材、 折板、保温层及镀瓷铝面板等荷载加在上层节点上，取0．55l(N／m2。 2)活荷载，屋面活荷载0．5l(N／m2，基本雪压0．25l(N／m2。取两者中的大值。 3)风荷载，基本风压0．4KN／m2。虽然屋盖矢跨比较小，风荷载对结构一般为吸力，且风荷载和活荷 载产生同向叠加的可能性较小，但是因为空间壳体结构较薄，应考虑荷载组合对结构的不利影响。 另外ECCS规范也规定，当风向相对予水平面的倾角在一lO。