空间钢管桁架及其试验模型的仿真计算研究报告.doc

空间钢管桁架及其试验模型的仿真计算 张杰 （西南交通大学土木工程学院 610031） [提要] 对大跨度跌落式空间钢管桁架结构及其试验模型进行仿真计算，通过对计算结果的对比分析，认为试验模型能反映结构的基本力学行为。 [关键词] 钢管桁架结构 仿真计算 力学行为 一、概述 空间钢管桁架结构横向宽度为39.50m，纵向长度为75.55m，水平投影面积约3000m2，采用节点为目前流行的相贯节点，屋面为双层彩钢夹芯板。钢管桁架结构支承在8根钢筋混凝土柱和4个剪力墙出挑牛腿上，最大跨度31m，桁架左端有双向大悬臂，最大悬挑长度11.75m（横向）和12m（纵向）。 由于该空间钢管横加结构形式新颖、受力比较复杂，为确保钢管桁架的安全可靠，我们对该钢管桁架进行模型试验和计算分析。按一定比例制作钢管桁架模型，进行设计荷载条件下的结构整体和构件的内力、位移试验，验证理论计算的正确性，验证实际结构的安全性和可靠性。 图1为桁架平面布置及编号图 图1 合理的设计试验模型，使试验结果符合结构的实际情况并满足预定的要求，是评价一个模型设计成功与否的关键。要做到这一点，首先要对实际结构进行理论分析，尔后根据试验的目的，按照材料相似和几何相似的原则，初步确定模型的制作比例，所用的材料，加载方式以及测点布置等等。在此基础上对模型进行理论分析，分析所用的计算软件一般应与实际结构计算相同。图2为钢管桁架纵向桁架立面图。 本文应用国际通用的大型计算软件SAP2000，对结构和试验模型进行仿真计算，以期对结构的安全性和合理性作出评价；通过对结构和试验模型计算结果的分析对比，评价模型设计的合理性，是否能达到模型试验的预定目的。 二、结构的仿真计算 SAP2000软件是国际公认可靠的大型通用结构分析软件。我们采用sap2000进行了结构各工况下的静力分析和模态分析。仿真计算采用sap2000中Frame单元，考虑杆件抗弯抗扭性能。如果该空间桁架结构的杆件采用二力杆单元建模，计算将得不到正确的结果，所以不能采用二力杆单元建模。 如图3是铰接杆单元模型在自重作用下节点沿纵向的位移图。由铰接模型计算结果可以看出，图中间显示的一榀桁架在纵向的约束存在不足，计算所得的位移不能反映结构的实际情况。 图3 2.1支座约束 屋盖系统共有12个支点，均为橡胶支座。中间4个支点支承在剪力墙牛腿上，可认为是刚性支点；其余8个支点分别支承在混凝土柱顶，6个支点支承在φ1.2m混凝土园柱上，2个支点支承在1.1x1.1m的混凝土方柱上，柱子底部完全约束。根据设计方案,各支座采用橡胶支座,由甲方提供的支座反力（供设计混凝土柱使用），屋盖支座反力主要为竖向力，水平反力很小，不传递弯矩。故取屋盖系统支座为可移动铰支座(水平方向有弹性约束)。弹性约束的弹簧系数，是根据设计提供的水平反力确定一个界限值，计算分析时取为20KN,由计算机反算出相应的弹簧系数，以此作为支座水平弹簧系数。计算所确定的水平弹簧系数取为200KN/m。 结构计算时，我们取两种计算模型进行计算：一种是不考虑混凝土柱的影响，认为屋盖系统支承在一无限大的刚体上，支座为可移动铰支座(水平方向有弹性约束)；一种是考虑混凝土柱的影响，将混凝土柱作为结构的一部分参加计算，支座仍为可移动铰支座(水平方向有弹性约束),柱子底部为刚结。图4为考虑混凝土柱的结构计算模型3D图。 图4 2.2材料特性和杆件截面 钢材采用Q235，弹性模量Es=2.06E+08Kpa，泊松比νs=0.30，屈服强度fy =235000Kpa ， 密度γs=7827kg/m3 ；混凝土强度等级C45，弹性模量Ec= 3.35E+07 Kpa，泊松比νc=0.2， 屈服强度 fy =29600 Kpa，密度γc=2356kg/m3。 杆件编号和截面：① PIPE133×6；② PIPE88×4；③ PIPE140×8；④ PIPE114×6 ；⑤ PIPE180×12 ；⑥ PIPE273×14 ；⑦ PIPE159×10 ；⑧ PIPE325×16 。 2.3计算工况 1、杆件自重 dead load case （由计算机自动生成） 2、静荷载 桁架上弦0.3 KN/m2 桁架下弦0.1 KN/m2 dead0301 load case 3、活荷载 桁架上弦0.5 KN/m2 live load case 4、雪荷载 0.3 KN/m2 snow load case 5、竖向静力等效地震荷载 quake load case=( dead load case + dead0301 load case + 0.5× snow load case) ×0.1 6、水平地震荷载SPECX horizontal quake load c