大跨网架课程设计
题 目 网架结构的有限元建模及分析
专业班级
学生姓名
指导教师
完成时间 2012年10月 8日
大跨空间结构课程设计
网架结构的有限元建模及分析
1. 概述......................................................................................................................... 1 2. 工程概况、基本假定和有限元建模....................................................................... 1
2.1 工程概况......................................................................................................... 1 2.2 荷载设定......................................................................................................... 1
（1）永久荷载.............................................................................................. 1 （2）可变荷载.............................................................................................. 1 （3）温度作用.............................................................................................. 1 （4）地震作用.............................................................................................. 2 2.3 基本假设: ....................................................................................................... 2 2.4 有限元建模..................................................................................................... 2
2.4.1网架选型............................................................................................... 2 2.4.2 网架结构的网格尺寸及高度的选择.................................................. 3
3. 结构静力性能分析................................................................................................... 5
3.1 静力荷载组合及计算..................................................................................... 5 3.2 建模与计算..................................................................................................... 6 4. 校核球节点............................................................................................................... 7 5．参数变换对网架受力的影响的分析...................................................................... 8
5.1 网架支承形式变化......................................................................................... 8 6. 网架静力分析......................................................................................................... 10 7. 网架动力分析......................................................................................................... 11
7.1 结构模态分析............................................................................................... 11 7.2 结构自振周期和阵型质量参与系数........................................................... 13 7.3 结构反应谱分析........................................................................................... 13 7.4 结构时程分析............................................................................................... 14 8．MIDAS软件校核 .................................................................................................. 16 9. 总结......................................................................................................................... 17
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网架结构的有限元建模及分析
1. 概述
本篇小论文主要围绕《大跨空间结构》叶老师所给的已知条件进行网架结构的建模，变换不同的参数（如网架形式，支承条件等）进行对比分析，从而得到一些结论。本文的思路大致如下：首先利用Autocad软件进行网架建模，选择三种网架进行对比分析，分别是：正交正放桁架型网架，斜放四角椎网架，抽空四角椎网架。利用有限元计算软件SAP2000对比分析出这三种中最优结构形式，选择其作为之后的对比分析的对象。第二部分是利用先前的最优模型，变换支承条件（四边固支，两边铰接两边橡胶垫支座，四边铰接）进行对比分析，从而得出结论。为确定SAP2000计算的准确性，选定前者的一种分析模式导入MIDAS再进行分析，对比两者的结果，加强分析的准确度。
2. 工程概况、基本假定和有限元建模
2.1 工程概况
给定40m×40m的网架结构。杆件截面为圆钢管，钢管采用Q235钢，可供选择的圆钢管型号为Ф48×3.0、Ф60×3.0、Ф76×3.8、Ф89×4.0、Ф114×4.0、Ф159×6.0、Ф168×6.0，选择其中的2~3种。采用焊接空心球节点，可供选择的焊接球有Ф100、Ф150、Ф200、Ф250、Ф300、Ф350、Ф400，选择其中的1~2种。约束类型全为刚性约束。抗震设防烈度为8度。支承方式、网格形式、尺寸及荷载条件自定。软件选择自定。 2.2 荷载设定 （1）永久荷载
屋面恒载：0.60 kN/m2(含屋面板、擦条、天窗，不含网架自重) （2）可变荷载
可变荷载有以下几种： a. 屋面活载：0.50 kN/m2 b. 雪载
基本雪压：0.45 kN/m2
屋面活载与雪载不同时组合，取二者最大值，。 c. 风荷载
基本风压: 0.45kN/m2 （3）温度作用
对于跨度大于40m的大跨度房屋钢结构应考虑温度作用。温度作用作为可变
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荷载，其荷载分项系数为1.3。 （4）地震作用
《网架结构设计与施工规程》JGJ7—91规定：
在抗震设防烈度为8度的地区，网架屋盖结构应进行竖向抗震验算。对于周边支承的中小跨度网架可不进行水平抗震验算。
网架结构在地震作用下的内力分析采用反应谱法。选取反应谱函数Chinese2002 spectrum，抗震设防烈度8度，地震加速度0.2g，建筑场地类别III类，反应谱特征周期0.4s，结构阻尼比取0.025。 2.3 基本假设:
(1) 网架的每个节点均为空间刚结点，每个节点没有自由度; (2) 荷载作用在网架节点上，杆件只承受轴向力; (3) 支座处简化为弹性元件;
(4) 不考虑下部框架结构刚度对网架的影响。
图1 网架形式图
2.4 有限元建模 2.4.1网架选型
《网架结构设计与施工规程》JGJ7—91规定：
网架的选型应结合工程的平面形状和跨度大小、支撑情况、荷载大小、屋面构造、建筑设计等要求综合分析确定。网架杆件布置必须保证不出现结构几何可变情况。
平面形状为矩形的周边支承网架，当其边长比?1.5时，宜选用斜放四角锥网架、棋盘形四角锥网架、正放抽空四角锥网架、两向正交斜放网架、两向正交正放网架、正方四角锥网架。
根据设计条件和规范规定，先采用周边支承的三种网架：正交正放四角锥网架、斜放四角椎网架、正放抽空四角锥网架，对三种网架进行综合比较，确定最经济的方案，再对选定的方案进行变参，如网格尺寸、高度、支承等，比较它们的应力比、挠度、用钢量、自振特性、振动响应等。
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2.4.2 网架结构的网格尺寸及高度的选择
《网架结构设计与施工规程》JGJ7—91规定：网架的网格尺寸和高度可根据网架形式、跨度大小、屋面材料以及构造要求和建筑功能等因素确定。对于周边支撑的以下各类网架，可按下表1选用。
表1 网架的上弦网格数和跨高比 钢筋混凝土屋面体系 网架形式 两向正交正放网架、正放四角锥网架、正放抽空四角锥网架 两向正交斜放网架、棋盘形四角锥网架、斜放四角锥网架、星形四角锥网架 注：（1）L2为网架短向跨数，单位为m；（2）当跨度在18m以下时，网格数可适当减少。
钢檩条屋面体系 网格数 跨高比 网格数 跨高比 （2~4）+0.2L2 10~14 （6~8）+0.08L2 （6~8）+0.07L2 （13~17）－0.03L2 最终我们选择网格数为8×8，网格尺寸即为5m×5m。高度选择为2.5m。利用Autocad进行正交正放四角锥网架、斜放四角椎网架、正放抽空四角锥网架三种网架的建模，如下图所示：
图2 正放抽空四角锥网架
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