自由曲面单层网格的智能布局设计研究

单层网格结构的网格划分标准不同于有限元网格的划分,它更侧重于以定性要求为标准的网格质量评价。为满足自由曲面单层网格杆件长度尽量一致、分布尽量均匀、过渡尽量流畅的要求,以自由曲面优化找形为前提,基于网格形状和单元长度的网格质量衡量标准,编制智能化网格设计程序。在整个布局设计过程中,首先通过拓扑不变的原则将空间问题转化为平面问题。其次,利用空间映射原理将在平面参考域上布置好的网格映射回三维空间曲面。最后,通过对初始拓扑网格进行智能化的修正和优化,保证所有杆件长度一致、网格布置美观的效果。通过在上海世博轴阳光谷工程中的实际应用证明,该方法操作简单,效果理想。且若采用不同拓扑关系布置的网格可以生成同样要求的最终杆件布置效果,供建筑师设计选用。

某大跨单层网格钢结构稳定性研究

东方艺术中心玻璃幕墙单层网格钢结构支撑体系由形似花瓣的5个独立的椭球形单层网格杆系(立柱、横杆、支撑及索网)结构组成,此网格结构作为墙体垂直放置,比较特殊。对该结构进行线性稳定、无初始缺陷结构非线性稳定和有初始缺陷结构非线性稳定分析。竖向放置的网格钢结构的失稳模态为结构中下部压溃失稳,风向对稳定极限荷载有影响。宜采用弹塑性极限荷载来评价结构,同时考虑初始缺陷的影响。

以单层网格为基础的杂交结构

本文论述了空间结构构型的基本理论。首先，从形式代数的基本概念的内蕴图，论述了将内蕴图转换为真三维图形的转换规则以及基于网格结构构造以上述工作为基础编制了程序，该程序可以实现计算机图形的自动生成，完成旋变换，并能够完成节点和杆件的排序和编号，从而可为有限元程序提供前处理数据。

径向波形单层网格阳光顶结构分析与设计

采用局部建模计算和整体建模计算相结合的方式,对径向波形单层网格阳光顶进行了结构分析。根据排水要求确定波谷积水荷载,根据玻璃幕墙要求确定钢网格大小。局部采用三角形网格,提高了结构承载力和刚度,减小了阳光顶的挠度。通过增加钢柱数量,减小钢柱直径,提高了结构抗震性能和稳定承载力。整体稳定分析考虑了材料非线性、几何非线性和初始几何缺陷,初始几何缺陷计及1~4阶屈曲模态的正负向。采用直接分析设计法解决钢柱长细比超限问题。通过局部模型和整体模型的对比,评估整体结构对阳光顶的影响。结构分析表明径向波形单层网格阳光顶在结构上是可行的。

世博轴阳光谷矩形钢管单层网格实体造型研究

世博轴阳光谷单层网格的节点数量大,杆件空间角度不同,各杆件在节点处存在高差与错边,导致各节点相似却不相同的特点。人工进行深化设计极易出错且很难校核和发现错误。本文以世博轴阳光谷建设为依托,针对复杂空间结构玻璃幕墙的连接构造和矩形管单层网格实体造型问题进行了研究。以"节点相邻面法线合矢量"为原则提出了矩形截面钢管在自由空间曲面上的合理定位方法,并将该方法通过计算机程序实现三维实体模型的自动生成与测评功能,提高了设计效率、规避了出图错误。在此基础上,对简化模型和精细模型进行了对比分析,总结各自的适用范围。最后,对幕墙玻璃的裁剪进行了几何分析,并编制自动裁剪程序。

40m单层网格折板结构的动力特性分析

针对单层网格折板结构的动力特性问题,基于通用有限元分析软件,采用子空间迭代法得出该结构自振频率,并分析了各阶振型的特点,分析结果表明:结构二十阶频率具有明显的阶跃性,低阶振型主要表现为围护结构水平方向的振动,并根据各因素对振型和频率的影响程度不同,得出了矢高、边脊线高度、环杆高度、外加质量分别对结构基频的影响大小。

某游客中心单层网格折板屋面的结构设计

某游客中心项目为满足建筑造型和空间需要,采用了单层网格折板屋面结构,屋面网格钢梁间均正向正交、刚接连接,网格梁的空间高度相对于普通主次梁结构有显著优势;同时结构布置上充分利用建筑山墙、隔墙、幕墙等空间设置为钢排架-支撑抗侧体系,抵御水平作用。折板屋面平面上成曲折Z型,立面上柱顶标高高低变化,为确保结构设计的安全可靠和尽量真实模拟空间受力,采用了Midas-Gen等程序对折板屋面进行了三维建模和分析计算,结果表明该结构体系安全可行,可以满足现行规范的各项指标要求,并且建筑空间效果显著,为工程中的结构形式与建筑空间相结合提供了新的思路。

大跨度单层空间网格结构连续性倒塌动力效应分析及简化模拟方法研究

为评估大跨度单层空间网格结构的连续性倒塌动力效应,并确定此类结构静力分析时所采用的荷载动力放大系数,构建了单层空间网格结构抗连续性倒塌的单自由度子结构模型,推导出考虑初始状态下子结构在线弹性、弹塑性阶段的动力放大原理,通过数值算例分析验证了其正确性。提出适用于单层空间网格结构的连续性倒塌动力效应简化模拟方法,通过算例验证后给出单层网壳结构荷载动力放大系数的建议取值范围。研究表明:不考虑初始状态时,弹性阶段下的位移动力放大系数、荷载动力放大系数趋势保持一致;弹塑性阶段下,随着塑性的发展,荷载动力放大系数逐渐减小,位移动力放大系数逐渐增大。考虑初始状态后,虽然两个动力放大系数的变化趋势未发生改变,但值均显著减小,与理论分析结论一致,因此必须考虑初始状态的影响。此外,对于单层网壳结构,当DCR<0.7时,建议荷载动力放大系数取1.7~1.9;当DCR>0.9时,建议取1.4~1.6。

单层空间网格结构刚性节点优化设计方法研究

单层网格结构中的节点不仅须传递轴力,也须传递两个方向上的弯矩。因此,单层网格结构中的节点为受力复杂的刚性节点,应具有合理的结构形式和良好的力学性能。同时,单层网格结构节点连接复杂、高空施工难度大,节点与杆件应有可靠、方便、通用的连接方式。该文提出了单层网格结构刚性节点优化设计方法:通过构造设计节点端,实现节点与杆件的连接;通过对受力复杂的节点核进行拓扑优化,开发高效的受力节点形式。在优化模型中,通过与外荷载无关的自平衡力系表示节点弯曲刚度,使得优化后的节点在任意方向上均有良好的弯矩传递能力。为避免拓扑优化中将力直接施加在设计域而导致的应力奇异问题及节点形式受限的缺点,通过施加加速度场,以体积惯性力等效集中荷载,降低了优化结果对边界条件的敏感性,获得了稳定、可靠的优化结果,解决了刚性节点拓扑优化中的关键技术难点。并以一个实际结构中的节点为例进行优化设计。通过分析节点端连接性能、力学性能以及与传统节点进行对比,验证了将拓扑优化和构造设计相结合的刚性节点优化设计方法。

非径向受力单层球面网格结构的弹性静力稳定分析

非径向受力单层球面网格结构是一种新型结构形式,其造型美观,构造简单,能很好地满足建筑学功能要求。但此结构构件的内力呈"涡旋向下"的方式传递,与传统径向受力球面网格的力学性能具有很大不同。论文根据实际工程情况,利用有限元分析软件ANSYS,计算出不同矢跨比、不同加载形式的单层球面网格结构的极限承载力,通过分析这些因素对网壳结构极限承载力的影响,得出非径向受力单层球面网格结构的受力特性,并提出相应的工程设计建议。

大跨度单层菱形编织网格墙钢结构安装技术

福州海峡奥林匹克体育中心体育馆北部单层菱形编织网格墙高39.7m,外倾60°,其连系桁架最大跨度达20m,采取逐层累积的安装方法。对于临时支撑的设计,采取水平拉设的结构体系,通过沿结构外围布置通长的H型钢转换梁的方式,让拉设杆的着力点映射到H型钢翼缘板两侧,从而解决了着力点受约束的问题,施工简单易行、安全可靠,对结构影响小。

单层异型钢结构大型雨篷在风荷载作用下的性能及结构布置

针对沿海地区某异形钢结构大型雨篷单层网格结构,分析了雨篷在不同荷载作用下的静力和动力性能及雨篷在各方向风荷载作用下的性能,包括雨篷刚度的影响因素、不同形式的支承、布置在不同位置的支承对刚度的影响,及不同连接方式对雨篷刚度产生的变化.研究表明:风荷载是该雨篷设计的控制因素,而恒荷载、地震作用和温度对雨篷性能的影响不大,并提出了为获得经济合理方案应采取的有效构造措施.

单层折面空间网格结构临时支撑体系的设计与应用

针对深圳大运中心主体育场钢结构工程单层折面空间网格的结构特征和施工难度,设计了两种临时支撑体系方案。通过有限元模拟计算结果的对比分析,确定采用四角锥台形胎架与标准节形胎架相结合的支撑方案,并将支撑与钢结构整体模拟计算结果与实时监测数据进行对比,验证了支撑设计的合理性与正确性。

大跨度环状单层空间网格钢屋盖施工关键技术

以重庆某项目家庭娱乐中心(FEC)钢屋盖施工为背景,阐述一种大跨度环状单层空间网格钢屋盖的施工关键技术,并对该技术所涉及吊装过程的受力情况进行了计算分析。该施工关键技术针对FEC钢屋盖四周存在劲性框架结构,自主研发设计了装配式组合三角形措施支撑装置,并进行了FEC大跨度环状八边形单层空间网格钢屋盖安装方法的创新。实践表明,利用自主研发设计的装配式组合三角形措施支撑装置代替满堂支架,可实现大跨度环状单层空间网格钢屋盖高效安全地施工,为类似工程的施工提供了参考。

单层折面空间网格结构可拆装式支撑胎架性能的监测与分析

针对深圳大运中心主体育场钢结构工程单层折面空间网格的结构特征和施工难度,确定了采用四角锥台形胎架与可拆装式标准节形胎架相结合的支撑方案,并将施工过程模拟计算结果与实时监测数据进行对比,验证了支撑设计的合理性与经济性。

大悬挑单层斜交网格柱壳钢屋盖结构方案与复杂节点研究

铜梁站候车大厅钢屋盖为三纵一横4个柱形壳体相贯形成的空间曲面屋盖,采用主受力拱+斜交菱形网格的单层网壳结构体系,屋盖下部落在8个倒V形混凝土柱墩上,柱墩底为桩基础。对该屋盖进行力学性能分析以及不同加强措施的对比研究,揭示了该类屋盖的变形及受力特点。为兼顾结构受力、建筑效果和材料用量,针对屋盖构件截面形式和网格尺寸进行了方案比选,最终确定采用箱型主拱+窄高箱型次杆的结构方案,网格尺寸为3m×3m,计算后各项指标均满足要求。节点设计方面,对屋盖节点,通过调整构件局部轴垂直于屋面法向,保证节点美观和施工可行;对多杆汇交的柱脚支座节点,进行了专门的连接设计和节点有限元分析,确保传力的可靠性。

武汉广电全媒体中心主体结构设计

武汉广电全媒体中心建筑体型复杂,具有大悬挑、大跨度转换等不规则项。针对项目特点,简要介绍了项目的结构体系,对正常使用状态下的大悬挑转换、单层双向索网幕墙等结构重难点的设计进行了阐述。同时,针对各层薄弱复杂连接楼盖,在地震作用下进行分塔模型与整体模型的分析对比。结果表明:通过利用顶部异形空间桁架和楼层大跨度连廊形成东西塔弹性对撑的自平衡效应,有效削减单层双向索网幕墙索力对主体结构的附加作用效应,同时为幕墙提供具有足够刚度的约束边界;对于双向同向下凹的大跨屋盖,利用造型的几何悬垂效应,采用单层双向悬垂受力钢网格结构,实现建筑和结构有机结合;地震作用下,采用取消薄弱连接楼盖的分塔模型和整体模型对竖向构件进行包络设计,提高竖向抗侧力构件的安全度。

网格形式对大跨度体育馆整体稳定性影响分析

大跨度体育场馆造型结构形式复杂多样,由于跨度大,结构的几何非线性程度高,结构设计由稳定性控制。以某复杂大跨度体育场馆为分析对象,对该结构的大跨度单层空间网格结构进行选型,分别建立了凯威特型、施威德勒型、联方型3种不同空间网格形式下的大跨度体育场馆模型,利用3D3S14.0软件对不同网格形式下的体育场馆进行整体稳定性分析。在控制用钢量及控制K值不变条件下,分别对比不同形式空间网格结构的整体稳定性。研究表明,联方型空间网格的K值为17.5,整体稳定性最好。

单层空间网格结构抗连续倒塌的多尺度有限元模型分析

采用多尺度有限元模型对单层空间网格结构进行抗连续倒塌分析,综合了不同类型单元在有限元分析中的优点,有利于提高计算精度,合理确定不同类型单元之间的连接是确保其计算精度的关键.以两个单层空间网格结构的典型子结构拟静力试验结果作为校验,探讨了多尺度有限元模型在空间网格结构抗连续倒塌分析中的应用,提出了基于位移一致原则的不同尺度单元之间连接关系建立方法.以此为基础,完成了Kiewitt与Geodesic单层球面网壳的抗连续倒塌分析.研究结果表明:采用所提出的位移一致原则,连接界面与微观响应区域保持适当距离,可以得到结构计算的最优近似解;多尺度有限元模型在节约计算资源的基础上能够得到正确、合理的计算结果,采用刚性节点假定能够进一步减少模型的单元数量;多尺度有限元模型分析能够更为细致地显示局部应力分布,寻求网格结构失效的起始位置.此外,由多尺度有限元模型所建立的空心球节点,能较好地模拟结构的实际受力工况.

大跨度单层空间网格结构抗连续性倒塌分析

大跨度单层空间网格结构冗余度小,对缺陷比较敏感,施工效应的影响大,某些关键杆件的失效极易引起结构连续性倒塌。基于能量平衡原理,考虑构件失效前结构的已有变形,建立了空间网格结构及构件的能量平衡方程,推导出结构抗力与构件抗力的关系式。根据单层空间网格结构的失效模式,构建结构抗连续性倒塌的子结构模型,分析大跨度单层空间网格结构的抗连续性倒塌机制,即梁机制、拉结机制、梁-拉结相关机制以及压杆机制,提出了相应机制下抗力需求的理论计算方法和抗力-位移曲线,并通过数值算例分析验证了所提方法的正确性。此外,对备用荷载路径法进行了修正,提出用于抗连续性倒塌分析的考虑施工效应的等效荷载卸载法,将该方法通过算例进行验证后应用于世界大学生运动会主体育场结构的抗倒塌分析中,结果表明该方法更加接近实际,结果更为可靠。单层空间网格结构的抗倒塌机制在杆件失效后的内力重分布过程中发挥重要作用,世界大学生运动会主体育场结构具有较好的抗连续性倒塌性能。