MIDAS Gen在立体桁架设计中的应用*
2015-03-22章代林
冯 双, 章代林
(1.江苏华威龙玖环保科技有限公司, 江苏 南京 211100;
2.马鞍山建设工程施工图设计文件审查中心, 安徽 马鞍山 243000)
MIDAS Gen在立体桁架设计中的应用*
冯 双1, 章代林2
(1.江苏华威龙玖环保科技有限公司, 江苏 南京 211100;
2.马鞍山建设工程施工图设计文件审查中心, 安徽 马鞍山 243000)
通过介绍用MIDAS Gen计算某立体桁架的过程,从设计角度提出建造立体管桁架结构的方法,并对立体管桁架设计的建模、分析结果及关键构造措施予以重点阐述。
立体管桁架; MIDAS Gen; 计算模型;构造要求
引 言
管桁架,是指用圆杆件在端部相互连接而组成的格子式结构。与传统的开口截面(H型钢和I字钢)钢桁架相比,管桁架结构截面材料绕中和轴较均匀分布,使截面同时具有良好的抗压和抗弯扭承载能力及较大刚度。这种钢构不用节点板,构造简单,制作安装方便、结构稳定性好、屋盖刚度大。空间三角形钢管桁架在受到竖向均布荷载作用的时候,表现出腹杆抗剪、弦杆抗弯的受力机理。弦杆轴力的主要影响因素是截面的高度,而竖面斜腹杆轴力的主要影响因素是竖面腹杆与竖直线的倾角。水平腹杆在竖向荷载作用下的受力较小,但是如果受到明显的扭矩作用的话,必须考虑适当加大其截面尺寸。
1 工程介绍
某立体管桁架长120 m,柱子最大跨度90 m,总长120 m,柱间距15 m,采用立体三角管桁架结构。初始方案采用网架结构,柱间距为15 m,跨度为90 m,由于受力面积为长条形,采用网架结构耗钢量大,不经济,故采用立体拱架结构[1,2]。根据《空间网格结构技术规程》[3]3.4.1,立体拱架的厚度可取跨度的1/20~1/30,矢高可取跨度的1/3~1/6;本工程立体拱架的厚度按1/20取,则拱架厚度为4.5 m,矢高按1/6跨度取,则矢高16 m。
2 计算过程
2.1 模型建立方法
采用MIDAS GEN 8.00进行计算,材料选取钢材Q235B及Q345B,系杆及屋面横向支撑采用Q235B钢材,其余采用Q345B钢材,计算简图如图1所示。
图1 立体管桁架计算简图
一榀管桁架的建立:先在AUTOCAD中三维建模建好一榀管桁架, 按杆件的不同设立图层和颜色,以区分开来,并把一根柱子的柱底坐标设为坐标原点,方便控制和查看模型,然后在MIDAS中按图层导入,这样可以把结构分成不同的结构组,以赋予截面和方便建模。
整体结构建立:采用MIDAS GEN中的单元复制命令,间距取15 m,沿Y向复制一榀管桁架,并布置系杆与水平支撑。建立完成后,选择除支撑、系杆的所有单元,复制7次,间距Y向15 m,单元建立完成。
虚面的建立:选择立体拱架上弦的杆件,用扩展命令,由线生成面,线不删除,Y向扩展-3 m,生成立体拱架的上弦虚面,再次选择上弦,Y向扩展12 m,生成上部虚面。选择所有虚面,Y向扩展7次,间距15 m,生成所有屋顶。
荷载施加:
自重荷载:选择所有截面,添加自重荷载,Z向系数-1;
屋顶恒载:(1) 恒载取0.8 kN/m2,上弦受力面积为4.5×(12+3)/2=33.75 m2,一个节点受力为27 kN,每隔3个节点屋面附加均布荷载0.8 kN/m2,即每隔3个节点恒载54 kN;(2)屋顶不上人活荷载:活荷载取0.5 kN/m2,上弦受力面积为4.5×(12+3)/2=33.75 m2,一个节点受力为17 kN,每隔3个节点屋面附加荷载0.5 kN/m2,即每隔3个节点恒载34 kN。
X向风荷载:根据《建筑结构荷载规范》[4]施加风荷载,选择封闭式落地拱形屋面确定μs,μz按20 m取,B类长度1.23,基本风压0.45 kN/m2,按照规范施加荷载。
图2 荷载规范风载体型系数
地震荷载施加:因为是大跨度结构,采用振型分解反应谱法分析,抗震烈度6度,加速度0.05g,Ⅱ类场地。
添加约束条件:选择柱底,约束X,Y,Z向弯矩和位移,固定支座。
2.2 荷载组合
程序在计算时,采用一系列荷载组合:
(1) 承载能力极限状态
组合1: 1.2×自重+1.4×活荷载+0.84右风;
组合2: 1.2×自重+1.4×活荷载+0.84左风;
组合3: 1.35×自重+0.98×活荷载+0.84右风;
组合4: 1.35×自重+0.98×活荷载+0.84左风。
(2) 抗震组合
组合5: 1.2×(自重+0.5×活荷载)+1.3X向地震;
组合6: 1.2×(自重+0.5×活荷载)-1.3X向地震;
组合7: 1.2×(自重+0.5×活荷载)+1.3Y向地震;
组合8: 1.2×(自重+0.5×活荷载)-1.3Y向地震。
(3) 正常使用极限状态
组合9: 1×自重+ 1×活荷载。
2.3 荷载布置
各种荷载示意图如图3~6所示。
2.4 计算结果
标准组合下的位移计算结果如图7所示。
图3 屋顶恒载
图4 屋面不上人活荷载
图5 右向风荷载
图6 左向风荷载
标准组合下最大竖向位移为164 mm,根据《空间网格结构技术规程》[1]3.5.1允许挠度值为1/250,跨度为90 m,挠度允许值为360 mm,满足规范要求。
构件应力比和构件验算结果分别如图8,9所示。
由构件验算应力比图形可知,所有构件计算应力比小于1.0,满足设计规范要求。
图7 标准组合下位移
图8 构件应力比
图9 构件验算结果
3 结 论
(1)采用MIDAS GEN软件能快捷地计算大跨度立体管桁架结构,其计算结果精确,能有效地用于工程设计当中。
(2) 从设计上提出了建造立体管桁架结构的策略,以保证结构安全,简化施工工艺,降低建造成本。
[1] 高标,徐昆,朱庆东,等.某立体管桁架高压试验大厅的结构设计分析[J].特种结构,2013,30(4):45—47,87.
[2] 丁芸孙,刘罗静.网架网壳设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.
[3] JGJ7-2010.空间网格结构技术规程[S]. 北京:中国人民共和国住房和城乡建设部,2011.
[4] GB50009-2001.建筑结构荷载规范[S]. 北京:中国人民共和国建设部,2002.
2015-08-05
冯 双(1984—),硕士。E-mail:fengs152478@sina.com
TU323.4