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体育场钢结构罩棚设计与有限元分析

发布于:2017-07-06 23:08
有限元分析

      奥体博览中心主体育场为特级特大型体育场,固定座位达80 011席。整个钢罩棚由14组(28片)主花瓣和13片次花瓣形成的花瓣组构成。罩棚为空间管析架与弦支单层网壳钢结构体系构成的环状花瓣造型,罩棚外边缘南北向长333m,东西向285 m罩棚最大宽度68 m悬挑长度52m,罩棚最高点标高高度为59. 4m。罩棚上、中、下部分别支撑在钢筋混凝土看台及平台上。整个钢结构罩棚通过支座、支撑、主析架、次连接杆件、弦支单层网壳、内环析架等相互连接,形成稳定的复杂空间结构体系,下面需要对该结构进行详细的有限元分析
      由于整体花瓣造型要求的曲线效果,特别是花瓣和花瓣交接处很多小角度杆件的交叉,使得整个工程的铸钢节点用量较大。节点1为靠近悬挑端的撑杆支座节点,节点2为花瓣落地支座处节点,由于花瓣造型,主结构两肢主析架的弦杆在此处交汇造成了节点处杆件多、杆件间交叉角度小,如果采用普通的圆管相贯焊,将使得焊接区出现明显的残余应力集中,大大降低钢材的延性性能,节点3同样是杆件间夹角小导致相贯线很长,节点4是11根杆件交汇的复杂相贯节点。
      节点设计是确保结构安全最重要的因素之一,是保证结构整体安全的必要前提。现行钢结构及相关设计规范、规程对于规则钢结构节点的连接设计有计算公式,但是对于复杂建筑的结构造型,特别是造型多变的仿生结构的节点整体安全设计,由于节点的多样性以及问题的复杂性,未提出明确的计算公式,而主要是依靠试验结果或数值模拟来引导设计。试验研究的方法在具体工程中又会受到多方面的限制,比如复杂节点的1: 1模型试验往往要求有完善的约束和加载措施,一般只有国内为数不多的高校才有这样的实力完成,试件要从加工厂运到所在高校的实验室,实验室做完试验后再将试件运到建筑现场(如果做破坏性试验成本会更高),这对于本来就很紧张的工期来说是不小的挑战。
      三维实体及数值计算的发展和应用为这类问题提供了较为简便的解决方法,但是具体使用中也存在着一些问题。目前铸钢节点有限元分析多以铸钢节点局部区域材料自身达到屈服点作为设计的主要控制指标,而结合之前所做的大量有限元分析结果显示,由于应力集中的存在往往在设计荷载附近就会有节点的局部区域(特别是杆件交接处在实体模型分网时较容易产生小角度单元的地方)进入塑性,这样往往导致设计的节点较重。现行较为常用的节点设计判断准则一般有2种:①以整体节点的某一极小部分区域进入塑性从而判断节点失效;②根据分析结果反映的节点区域的塑性分布(看其有无扩散以至发生全截面塑性的趋势)来判断节点是否失效。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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