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钢结构旋转楼梯的结构设计与有限元计算方法.pdf

钢结构旋转楼梯的结构设计与有限元计算方法

长空无名之飞雪
2011-06-07 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《钢结构旋转楼梯的结构设计与有限元计算方法pdf》,可适用于经济金融领域

工程建设与设计O年第期钢结构旋转楼梯的结构设计与有限元计算方法钢结构旋转楼梯的结构设计与有限元计算方法桂苹陈昶(中元国际工程设计研究院北京)摘要对中国气象局国家气候中心科技大楼钢结构旋转楼梯的结构设计和有限元计算方法作了介绍并对钢结构旋转楼梯的整体稳定性的计算方法进行了探讨同时给出了解决方法。关键词钢结构旋转楼梯结构设计有限元分析中图分类号~文献标识码B文章编号oo()晒一OOO一、概述中国气象局国家气候中心科技大楼位于中国气象局大院内其建筑规模为地上l层地下层总建筑面积一期工程约为z~Om二期工程约为m。建筑物檐口高度为.m。本工程是集业务、科研、实验、通讯、计算机网络、学术交流、管理等多功能为一体的综合性智能科技大楼。该大楼两层裙房为会议中心其中包括一个m的多功能厅一个约人的圆形报告厅。本次设计的钢结构旋转楼梯位于一层大堂内其建筑构想是设计成一个轻巧、美观、通透、现代化的一座楼梯。该楼梯虽仅为一层但其跨度大约为m层高高旋转弧度大且为折线型钢结构楼梯这给结构设计带来巨大的挑战。二、结构方案的确定根据建筑师的构想其楼梯建筑风格要与周围环境相适应通透性要好。因此在材料的选用上钢筋混凝土不太合适而采用钢结构材料可以满足设计理念。以往的钢筋混凝土结构旋转楼梯无论在结构计算、设计和构造方法上都较为成熟而大跨度钢结构旋转楼梯的设计难点首先是内力分析非常复杂其次是钢结构旋转楼梯的整体失稳和构造是结构设计的关键所在。在内力分析上可采用有限元分析计算方法对于钢结构旋转楼梯的整体失稳的计算可采用后面所谈到的方法。在材料的选用上选用Q钢。梯梁的截面选择可有多种形式o型钢管截面、扁钢截面、I字型截面、箱形截面等。选择。型钢管截面用料经济但加工困难易破坏其力学性能选择扁钢截面刚度太小选择I字型截面平面外刚度较小且不美观而选择合适尺寸的箱形截面可以避免上述不足首先材料分布比较合理其次结构受力合理尤其抗扭刚度较大并增强其出平面稳定承载力而且加工方便外形美观。在组成箱形截面的钢板的选择上厚度要适中。钢板太厚了结构自重太大浪费钢材钢板太薄了虽然节省材料但结构整体挠度增大钢结构局部容易失稳且钢结构旋转楼梯上支座处的焊缝强度不够影响结构的安全。钢结构旋转楼梯与建筑物的连接应考虑安装和施工的方便。因此在预埋钢板上应设有安装螺栓。三、有限元分析计算工程上对于这种受力复杂的空间结构其内力分析采用有限元分析技术为一种较好的解决方法。.计算分析原理和过程目前市面上有多种国内外的有限元分析计算程序其计算原理均采用基于变分、插值和变分原理为基础的有限元法。对于计算钢结构旋转楼梯内力只要具备结构静力分析、动力分析、多种响应分析、非线性弹塑性分析、稳定性分析和温度场分析等功能的有限元分析计算程序即可满足需要。具体结构分析时应采用三维梁单元、平面元、壳单元和边界元等类型单元库。整个计算分析过程如图所示。.力学模型的建立()视钢结构旋转楼梯为空间曲梁一板混合单元结构两根梯梁可视为空间曲梁单元各空间曲梁的上端连接于.m处楼板下端连接于.m处楼板连接处为固接支座两根空间曲梁之间由m厚的数块踏步钢板连接而成为空间结构休息平台可视为板单元总体直角坐标系详见图所示结构节点、单元划分图详见图所示。()视钢结构旋转楼梯为空间壳结构另一种方法可将钢结构旋转楼梯的空间曲梁、踏步钢维普资讯http:wwwcqvipcom钢结构设计专题工程建设与设计年第期图有限元分析计算步骤流程图图钢结构旋转楼梯曲梁一板混合单元力学模型板、休息平台均视为空间壳单元模拟计算。结构与地面、楼板的连接处均为固接支座。使用这种方法进行计算前处理的工作量巨大但计算结果能较为精确地反映结构整体及局部联接的受力情况。根据等强度计算原理使用壳体单元建立力学模型壳体单元与壳体单元的自然连接可真正反映连接处焊缝的强度。其空间壳单元力图钢结构旋转楼梯有限元分析计算节点、单元划分图学模型详见图所示。图钢结构旋转楼梯空间壳单元力学模型.计算工况工况:静荷载与活荷载的共同作用即:.X.XqⅣ。式中卜结构自重(包括:梯梁、踏步钢板、休息平台、扶手、装饰大理石等重量)kN活荷载(根据标准活荷载按.kN考虑)kN.计算荷载及荷载输入板面荷载应考虑ram厚的大理石面层、ram厚的水泥沙浆卧底及吊顶荷载。板面荷载和活荷载组合后板上荷载传递到梁还应考虑楼梯栏杆荷载传梁(考虑玻璃护栏)由此计算出两根梯梁(空间曲梁)所受的均布线荷载值。应考虑扶手顶部水平集中活荷载对梯梁所产生的均布扭矩。以上各力值在有限元分析计算中均一一输入。.整体稳定性的计算维普资讯http:wwwcqvipcom工程建设与设计O年第期钢结构旋转楼梯的结构设计与有限元计算方法对于空间梯梁由于受力较为复杂是一个双向受弯、受扭、受剪内侧梁(单元)受压、内侧梁(~、单元)受拉外侧梁(单元)受拉的空间曲梁构件而在<钢结构设计规范>(GBJ)中对这样的结构没有非常明确的相应的整体稳定性验算方法。我们根据钢结构稳定的理论参考有关拱和环的稳定设计借鉴德国标准DIN一II一般做法是无论是拱和环的面内或面外稳定往往采用化作等效直杆的办法。由于直杆的稳定系数考虑了几何缺陷和残余应力的不利影响这种方法比直接采用分岔屈曲的临界荷载更为合理。然而这些缺陷的影响对直杆和拱并不完全相同。所以化作直杆也只是粗略的近似算法。空间曲梁出平面稳定不是单纯弯曲屈曲而是像压弯构件那样既弯又扭。残余应力和初始侧向弯曲都对空间曲梁平面外稳定性能有影响。精确计算空间曲梁平面外稳定承载力也需要像平面内稳定一样用复杂的数值分析去求解。实用的简化计算方法或是采用等效长细比把空间曲梁化为受压直杆的稳定问题或是用和梁弯扭屈曲相类似的方式计算其临界荷载。空间曲梁构件的受力特性方面与拱有许多相象的地方同时又有别于拱。为此对其整体稳定性我们可采用两种方法来验算。其一可按受压和双向受弯柱的整体稳定性验算方法来验算:l=N丽)l瓦:I%=N丽)%:(N)式中公式符号详见<钢结构设计规范》(GBJ)。根据<s厄钢结构设计程序》有关要求其受压和双向受弯柱的计算长度可取空间曲梁的实际弧长l其他有关构件的截面参数、内力参数可取自有限元分析计算的输出结果。其二可按双向受弯梁的整体稳定性验算方法来验算:=(N){=(N)【r=V'SN)根据<sI圈钢结构设计程序>有关要求其双向受弯梁的计算长度可取空间曲梁的实际弧长其他有关构件的截面参数、内力参数可取自有限元分析计算的输出结果。在这里应注意的是在第二种计算方法中应将空间曲R梁所受的扭矩转化为等效剪力一同考虑进整体稳定性的计算中而计算中已将空间曲梁受压、受拉、受弯、受剪考虑进去。钢结构稳定理论还在不断发展有些稳定问题虽然已有一定的理论和实验研究成果但还未能纳入设计规范。同时随着工程实践的发展设计中还会遇到新的稳定问题。所以在工程实践中应灵活运用把理论和实践紧密结合使钢结构稳定设计这一学科不断充实和完善。.计算结果及分析()位移与刚度分析由计算结果知最大位移发生在钢结构旋转楼梯的中部即休息平台处其绝对位移值为.mm垂直位移值为.mm。由于此处位于空间曲梁的中部位在结构自重和垂直活荷载的作用下该部位垂直位移最大。根据《钢结构设计规范》(JBG)第..条知其挠度值均小于容许挠度值:==一)=o=.(ram)故钢结构旋转楼梯的刚度满足要求。式中lamer内侧曲梁的实际长度mmz外橐外侧曲梁的实际长度mm()强度与应力分析由计算结果知外侧梯梁的轴向内力除下端根部受轴向压力外其余梁单元均受轴向拉力最大轴向拉力位于上端中部位其轴向拉力值为.l(N。内侧梯梁的轴向内力除上端中部以上受轴向拉力外其余梁单元均受轴向压力最大轴向压力位于下端根部位其轴向压力值为.kN最大轴向拉力位于上端部位其轴向拉力值为.ol(N。详见图所示。注:曲梁中的细实线表示曲梁受拉粗实线表示曲梁受压外侧梯梁的最大横向剪力位于钢结构旋转楼梯的中部其剪力值为.l(N最大竖向剪力位于钢结构旋转楼梯的上端根部和下端根部其较大剪力值为.kN。内侧梯梁的最大横向剪力位于钢结构旋转楼梯的中部其剪力值为.kN最大竖向剪力位于钢结构旋转楼梯的上端根部和下端根部其较大剪力值为.kN。无论外侧梯梁还是内侧梯梁其最大轴向扭矩均位于钢结构旋转楼梯的上端根部最大值为.l(N·m。外侧梯梁的最大横向弯矩位于钢结构旋转楼梯的上端根部和旋转楼梯的中部其最大弯矩值为.kN·m最大竖向弯矩位于钢结构旋转楼梯的上端根部和下端根部其较大弯矩值为.rl(N·m。内侧梯梁的最大横向弯矩位于钢结构旋转楼梯的上端部位和旋转楼梯的下端根部其最大弯矩值为.ol(N·m最大竖向弯矩位于钢结构旋转楼梯的上端根部和下端根部其较大弯矩值为.kN·m。维普资讯http:wwwcqvipcom钢结构设计专题工程建设与设计OO年第期图空间曲梁轴向拉力、轴向压力示意图以上钢结构旋转楼梯的受力状况是由于结构本身特殊的空间曲梁几何拓扑结构、结构本身自重和旋转楼梯所受的垂直活荷载所致。结构受力后其最大合成应力值为.N/n位于钢结构旋转楼梯外侧梯梁的上端根部所有构件的应力值均小于容许应力值厂=N/删n故钢结构旋转楼梯的强度满足要求。()稳定性验算稳定性验算应包括构件的局部稳定性验算和结构的整体稳定性验算。局部稳定性验算可按照《钢结构设计规范》(GBJ)中的有关规定进行验算整体稳定性验算可参照本文前述“整体稳定性的计算方法”进行验算。由验算结果可知构造均满足《钢结构设计规范》中所提出的要求箱形截面梁受压翼缘板在两腹板之间的宽度。与其厚度£之比s×√学当.<ns.时‘TJY(式中ao=G~=一Gra/n)腹板计算高度h。与其厚度£之比UrHhos.×(n.一.)×/。所以构件的局部‘’y稳定性满足要求。由计算结果可知。无论按平面内稳定性计算还是按平面外稳定性计算其最不利计算结果啦=.N/n、啦=.N/、啦=.N/哪均小于容许应力=N/咖n结构的整体稳定性也满足要求。由于其计算过程繁杂、篇幅太长故不在赘述。四、钢结构旋转楼梯设计中的节点处理钢结构旋转楼梯的稳定承载力与梁的截面形式、弯矩分布和荷载作用部位等多种因素有关并受其影响。而与建筑物的连接节点是结构的关键部位其支座处应采取构造措施以防止梁端截面的扭转根部是否完全嵌固对它的稳定承载力也影响极大节点连接的构造方式会影响杆件的稳定性能直接影响了结构的安全和使用。上部支座节点处受有水平和垂直弯曲应力、剪切应力、扭转应力及拉应力。在锚板设计中考虑了结构的上述受力特点根据规范在锚筋及焊缝的设计上对上述各力进行了组合计算并考虑了施工和安装的因素在锚板上设置了安装螺栓。对于焊缝的校核应考虑结构连接处受有各种力的影响其验算公式为:=NVT=()IJ(南)T<=(N·ram)对于锚板设计的校核应考虑结构连接处受有各种力的影响其验算公式为:.VNMA而.xa~%订而及(N删)由有限元分析计算知结构支座处受有轴向拉力、双向弯矩、扭矩、和双向剪力为了考虑综合因素对于公式中的剪力应考虑水平剪力和竖向剪力的共同作用同时将扭矩转化为附加剪力一同考虑进去。~/对于公式中的弯矩应考虑水平弯矩和竖向弯矩的共同作用=~/其钢结构旋转楼梯上端与建筑物连接支座处的节点构造做法如图所示:图连接支座处的节点构造做法五、附图附图共幅。即:钢结构旋转楼梯空间壳单元力学模型图、钢结构旋转楼梯位移变形图、钢结构旋转楼梯单元应力图和钢结构旋转楼梯壳单元力学模型图(不同方向)。因篇幅所限本文仅刊出空间壳体单元力学模型图(见图)。维普资讯http:wwwcqvipcom工程建设与设计fl年第期变截面梁单元力学模型的建立变截面梁单元力学模型的建立赵斌王正中(西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨陵)摘要通过研究变截面杆件建立了一种宽度自适应的变截面梁单元模型。利用能量的方法推导出变截面梁单元(契形单元)的刚度矩阵。关键词变截面梁单元刚度矩阵模型中图分类号'IVn.文献标识码A文章编号(om)o一(I一、引言随着彩色压型钢板的迅速发展轻型门式刚架结构体系因为其具有轻型、美观、快捷、高效等特点在工业建筑中已获得广泛的应用。而为了接近荷载作用下的弯矩图形使材料的分布更合理门式刚架结构通常采用变截面柱和变截面梁。对于变截面构件国外学者已进行了广泛的研究但国内却研究甚少。目前在通常的力学分析计算中对变截面梁柱常采用等分段等截面单元模型来分析。这种模型由于人为增加了计算结点和计算单元数。未考虑偏心的影响从而降低了分析计算的效率影响了分析计算的精度并增加了CAD难度。本文则通过研究变截面杆件(杆件截面为工字型截面腹板高.Ilo值沿长度方向线性变化其余腹板几何尺寸及上下翼缘几何尺寸均保持不变中和轴线为两端腹板中点连线。建立了一种宽度自适应的变截面梁单元(契形单元)力学模型。二、单元模型的建立.杆件符合下列假定(瑚鹊元长度远大于横截面匕各量满足平截面假定。()忽略变截面梁单元的剪力变形。()因为变截面梁单元长度远大于横截面上各量所以轴线可以看成连斜翼缘形成角度的角平分线。()材料为线弹性。.单元坐标系图单元坐标系单元坐标系如图所示、、、分别为结点和上所受的轴力和弯矩。图钢结构旋转楼梯空间壳单元力学模型图(不同方向)参考文献GB()建筑结构荷载规范s.GBJ钢结构设计规范s.钢结构设计手册M.北京:中国建筑工业出版社.GBJo一混凝土结构设计规范s.混凝土结构构造手册M.北京:中国建筑工业出版社.JGJ玻璃幕墙工程技术规范s.STAAD/CHINA结构设计与绘图软件包技术参考手册z.大连:美国Researc~eersInc.中国分公司OOO.邓藩荣等.钢结构设计程序STEEl,使用说明书z.北京:机械工业设计研究院OOO.邓藩荣等.土建结构电算的ISO质量意识与技术要求z.北京:机械工业设计研究院.收稿日期OO维普资讯http:wwwcqvipcom

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