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廣東建筑科技周

鋼結構 | 復雜空間鋼結構分析與設計探討

廣東建筑工業化展 2018-01-22 1369

前言

近年來，隨著大眾對建筑外形審美的不斷提高，形狀怪異的復雜空間建筑結構不斷出現，而鋼結構以其良好的受力性能被廣泛的應用于此類結構中。復雜空間鋼結構的出現對結構工程師提出了更高的要求，如何對該類型結構進行簡化、建模、分析、設計以及出圖是我們急需解決的問題。本文通過已有的工程經驗，并結合審圖單位、施工單位的寶貴意見，對復雜空間鋼結構的分析與設計全過程進行探討，總結了部分分析與設計方法，可供此類結構的設計提供參考。

空間復雜結構概述

空間結構是相對于具有較為明顯層概念的結構而提出的，這類結構無法用簡單的平面、立面、剖面表示其結構施工圖。空間復雜結構構件呈三向受力狀態，且一般跨度大、形式復雜，它采用特殊結構解決傳統的梁、柱構件受力的問題。

常見結構類型有網架結構、懸索結構、殼體結構、管桁架結構、膜結構等類型。空間結構能適應不同跨度、不同支承條件的各種建筑要求；形狀上也能適應正方形、矩形、多邊形、圓形、扇形、三角形以及由此組合而成的各種形狀的建筑平面、立面；同時，該類建筑造型輕巧、外形美觀，主要用于車站、飛機場、體育館等大型公共建筑。

▲ 復雜空間鋼結構典型實例

建模過程

復雜空間建筑結構在結構介入之前，建筑通常會有三維的SU模型或者犀牛模型配合建筑的平立剖面圖作為項目的表達。而結構建模時，依據其三維模型來布置空間桿件，考慮到后期模型和出圖的準確性，需要建筑給出較為精確的三維模型，同時需要給出結構中心線組成三維表面。下面以某售樓中心為例介紹復雜空間結構的建模、分析和出圖過程。首先預估幕墻的厚度，將建筑外皮整體內偏300mm即為結構中心線表皮（預估結構管件大小在∅200左右）。

將此SU模型導出到DXF，通過CAD打開后進行線框模型的建立。

將此SU模型導出到DXF時應注意以下幾個方面：

1）導出dxf模型時應附加建筑外表皮以及內表皮，以確定屋蓋結構模型不與主體結構發生碰撞，且不超出建筑外立面；

2）dxf模型應附加上相應的建筑軸網，并與主體結構的相對位置完全正確，如下圖為建立好以后的結構三維線框模型；

▲ 結構三維線框模型

3）將整體模型及軸網、主體結構等以某一個明確的且離模型較近的點作為模型的原點移動到CAD圖中的原點位置（一般選在整個模型的左下角，主軸網交點處，Z向原點相對于建筑的實際標高根據實際確定），后期出圖時會給出節點、桿件相對于這個原點的相對坐標作為圖紙的三維空間表達；

4）將建立好的三維線框模型另存dxf，導入到midas/gen模型中進行材料構件定義、結構分析。

分析過程

在midas/gen中進行結構分析時應特別注意：

1、自重應定義在恒載中，自重系數根據情況取≥1.0。當結構節點處采用少量的焊接球或螺栓球時一般取為1.1，對網架結構球節點較多時自重系數一般取為1.2，同時注意自重系數的方向，如圖中為豎直向下，即重力方向；

2、定義荷載工況，根據需要定義荷載工況如右圖所示，荷載組合可先采用軟件自動組合，基本能按荷載規范的要求將基本的恒載、活載，風荷載，地震等進行組合，但溫度荷載不能自動組合，需要自動生成后進行手動組合，空間復雜結構的風荷載需要根據風洞實驗或者經驗得出的體型系數，換算成風荷載標準值，再采用面荷載加到結構中去；

3、復雜結構應補充時程分析和屈曲分析，特征值屈曲系數一般不小于15，這時通常情況下非線性屈曲系數不會小于4.0；

4、結果查看時主要查看以下幾個方面：

1）周期振型是否有異常。

2）變形是否滿足要求。

3）查看應力是否滿足要求。

4）構造條件是否滿足要求。

節點分析及設計

1、常用節點種類

復雜空間鋼結構的節點主要采用焊接空心球節點、相貫焊節點、鑄鋼節點以及銷軸節點等。

1）焊接空心球節點

焊接空心球是將按設計要求確定的兩塊圓鋼板經過熱壓或冷壓加工成兩個半圓球殼、再對接焊接成一個整體。焊接空心球分為無肋空心球和有肋空心球，其中有肋空心球為在球殼內部增設環形加勁板。有肋空心球又可分為單肋空心球和雙肋空心球，雙肋空心球又分為平行或十字交叉雙肋空心球。

焊接空心球設計時主要先預估焊接球的外徑、壁厚以及加勁肋的厚度，整體結構分析完成后通過讀取桿件內力再驗算是否滿足要求。

2）相貫焊節點

相貫焊節點是指管件之間沿著相貫線進行的無縫焊接，相貫線通常采用數控機床切割相交桿件所得，需注意區分主管與支管。實際設計時當管件相交夾角較小時，相貫線會有很長相交范圍，與軟件計算假定不符，此時相貫焊節點應做加強處理，例如在相交面增加中間肋板、相交段范圍內增加加強套管等。相貫焊節點的分析與設計在《空間網格技術規程》中有詳細介紹。

▲ 相貫焊節點

3）鑄鋼節點

鑄鋼節點主要用于受力大，節點構造復雜的重要性節點。鑄鋼節點受力性能好，節點可靠度高，但是需要提前定制模具，施工周期較長且經濟性差，設計時需考慮。

▲ 鑄鋼節點

4）銷軸節點

銷軸節點具有構造簡單、傳力明確，能夠理想的實現鉸接連接等優點，在建筑鋼結構中得到廣泛的應用。

2、節點有限元分析

常用有限元分析軟件主要有ansys、abaqus以及midas/gen等。Ansys建模精度要求最高，很小的誤差或者設置不符合軟件的要求均計算不出結果；abaqus建模要求相對較低，一般都能算出結果，但需要設計人員自己判斷結果的正確性，且有軟件界面友好，學習相對簡單；midas/gen的分析功能不如前兩個軟件強大，用到的也相對較少。

出圖內容

空間復雜結構不能用明確的平面、立面和剖面進行圖紙表達，因此出圖時需要將傳統的平、立、剖面圖與結構三維軸測圖以及細部放大圖、節點和桿件坐標表等相結合作為圖紙表達。

此項目主要設計圖紙如圖所示，除了傳統“圖紙目錄”、“鋼結構設計總說明”以及“預埋件布置圖”和“節點詳圖” 外，增加了“結構三維軸測圖”、“結構俯視圖”、“支座節點編號圖”、“節點坐標表”以及“桿件編號表”。

結構三維軸測圖和結構俯視圖需要在建立完結構三維實體模型后才能給出，cad三維實體圖中應包含的內容有：

1）各個桿件的截面規格；

2）需要增加球節點的位置和大小；

3）支座節點信息。

實際建立三維模型時一般將桿件規格作為圖層的名字并以不同的顏色加以區分，桿件的大小按實際規格建立，整個模型與建筑的相對位置與項目實際應保持一致，包括標高。焊接球按實際規格建立，規格作為圖層的名字，也用顏色區分。構件大小、球節點大小以及相對位置如果都和項目實際一致就很容易進行碰撞檢查，并能給甲方以及施工單位直觀感受，便于施工和項目呈現。

結構三維實體模型建立時，可用MIDAS分步導出構件中心線，然后再分別指定圖層和構件規格，并通過放樣確定增加焊接球的位置及大小，并用CAD放樣出結構支座的相關做法。實體模型完成后可用于生成結構三維軸測圖以及俯視圖或立面圖，并能給設計師直觀感受，是否符合設計要求。同時實體模型可用于加工廠構件加工，施工單位施工參考以及對甲方的項目展示。

注意：焊接球的位置和大小應在節點坐標表中給出。