扁平椭圆球面网壳的设计与分析
摘要
椭圆球面钢网壳是一种新颖的钢屋盖形式,为建筑师提供了广阔的表现空间。由于屋盖水平投影是一椭圆形,而自行车馆、足球场、篮球场等体育场馆的场地大多为长圆形或椭圆形,若采用椭圆球面钢网壳作为上盖结构,能提供更合理的平面布置、提高建筑空间的利用效率,而小矢跨比的扁平网壳可以进一步减小室内空间高度及体积,节省空调制冷、灯光照明的费用,符合环保节能的世界发展主流。
本人担任专业负责的广州亚运自行车馆结构设计中,采用了扁平椭圆球面网壳结构,水平投影为144m(长轴)×120m(短轴)的椭圆形,矢跨比为1/10.0(长轴)～1/8.1(短轴),平均矢跨比为1/9.05。本文结合实际工程需要进行了研究:
1.对扁平(矢跨比≤7)的椭圆球面单层网壳的力学性能进行了分析。
2.针对其最关键的整体稳定性问题,提出了“沿周边设置双层构件、外表面设置桁架式加劲肋”的加强措施,采用有限元方法,进行了非线性整体稳定性分析,揭示了变化规律,验证了加强措施的有效性。
3.对整体结构作了罕遇地震弹塑性时程分析,通过输入多条地震波对不同屋盖支座形式(固接、环向铰接,径向滑动加环向铰接,径向滑动加加阻尼)和屋盖支座处设置不同阻尼参数的阻尼器的结构模型进行非线性地震反应分析,进而根据计算结果的分析整理与对比,确定阻尼器参数,并给出结构的整体抗震性能评估。
本研究可为大跨度场馆屋盖的设计提供有价值的参考,以实现结构安全适用、技术先进、经济合理的设计目标。
Ellipsoid reticulated shell structures are new steel structure form of roof. They provide an extensive space for architects. Because roof horizontal projection is a ellipse but most of sports stadiums such as cycling velodrome, football field, basketball court etc are oblong or ellipse, ellipsoid reticulated shell structures are adopted as roofcover structures, which can provide more reasonable plane layout and increase architectural space use efficiency, but small rise-span ratio reticulated shell structures can further decrease interior height, save the expense on refrigeration and lighting, which fit in with the main steam of world development on environment protection and energy conservation.
The writer is responsible for professional designing Guangzhou Asia cycling velodrome and adopts flat ellipsoid reticulated shell structures. The horizontal projection is an ellipse with 144m ( long axis)X 120m (short axis). The rise-span ratio is 1/10.0(long axis)~ 1/8.1(short axis). The average rise-span ratio is 1/9.05. In this thesis, research is proceeded based on practical works.
1.The mechanical properties of flat ellipsoid reticulated single shell structures (rise-span ratio≤7)are analyzed.
2. In accordance with the most important overall stability problem, the thesis brings up measures on installing double-layer components along and setting up truss reinforcing member on the external wall. The thesis analyzes nonlinear overall stability by finite element methods, reveals reasons and rules, tests and verifies effectiveness on the measures.
3. The analysis of overall structure elastic-plastic dynamic time history on the unusual earthquake is made. The analysis of nonlinear seismic responses is made on different bearings forms of steel roof ( fix-jointed bank, circumferential hinge, radial sliding plus circumferential hinge, radial sliding plus damping)and the model structure of damper with different damping parameters is installed in bearing of steel roof by many input earthquake wave. According to analysis, arrangement and contrast, damping parameters are decided, evaluating overall seismic property of structure
本人担任专业负责的广州亚运自行车馆结构设计中,采用了扁平椭圆球面网壳结构,水平投影为144m(长轴)×120m(短轴)的椭圆形,矢跨比为1/10.0(长轴)～1/8.1(短轴),平均矢跨比为1/9.05。本文结合实际工程需要进行了研究:
1.对扁平(矢跨比≤7)的椭圆球面单层网壳的力学性能进行了分析。
2.针对其最关键的整体稳定性问题,提出了“沿周边设置双层构件、外表面设置桁架式加劲肋”的加强措施,采用有限元方法,进行了非线性整体稳定性分析,揭示了变化规律,验证了加强措施的有效性。
3.对整体结构作了罕遇地震弹塑性时程分析,通过输入多条地震波对不同屋盖支座形式(固接、环向铰接,径向滑动加环向铰接,径向滑动加加阻尼)和屋盖支座处设置不同阻尼参数的阻尼器的结构模型进行非线性地震反应分析,进而根据计算结果的分析整理与对比,确定阻尼器参数,并给出结构的整体抗震性能评估。
本研究可为大跨度场馆屋盖的设计提供有价值的参考,以实现结构安全适用、技术先进、经济合理的设计目标。
Ellipsoid reticulated shell structures are new steel structure form of roof. They provide an extensive space for architects. Because roof horizontal projection is a ellipse but most of sports stadiums such as cycling velodrome, football field, basketball court etc are oblong or ellipse, ellipsoid reticulated shell structures are adopted as roofcover structures, which can provide more reasonable plane layout and increase architectural space use efficiency, but small rise-span ratio reticulated shell structures can further decrease interior height, save the expense on refrigeration and lighting, which fit in with the main steam of world development on environment protection and energy conservation.
The writer is responsible for professional designing Guangzhou Asia cycling velodrome and adopts flat ellipsoid reticulated shell structures. The horizontal projection is an ellipse with 144m ( long axis)X 120m (short axis). The rise-span ratio is 1/10.0(long axis)~ 1/8.1(short axis). The average rise-span ratio is 1/9.05. In this thesis, research is proceeded based on practical works.
1.The mechanical properties of flat ellipsoid reticulated single shell structures (rise-span ratio≤7)are analyzed.
2. In accordance with the most important overall stability problem, the thesis brings up measures on installing double-layer components along and setting up truss reinforcing member on the external wall. The thesis analyzes nonlinear overall stability by finite element methods, reveals reasons and rules, tests and verifies effectiveness on the measures.
3. The analysis of overall structure elastic-plastic dynamic time history on the unusual earthquake is made. The analysis of nonlinear seismic responses is made on different bearings forms of steel roof ( fix-jointed bank, circumferential hinge, radial sliding plus circumferential hinge, radial sliding plus damping)and the model structure of damper with different damping parameters is installed in bearing of steel roof by many input earthquake wave. According to analysis, arrangement and contrast, damping parameters are decided, evaluating overall seismic property of structure
引文
[1]穆晔.多维地震作用下单层球面网壳的动力性能研究:[硕士学位论文].北京:北京工业大学,2001-05
[2]刘晶波,杜修力.结构动力学.北京:机械工业出版社,2005-01
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[7]尹德钰,刘善维,钱若军.网壳结构设计.北京:中国建筑工业出版社,1996年
[8]沈祖炎,陈扬骥.网架与网壳.上海:同济大学出版社,1997年
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[14]陈应波,陈军明,李秀才.单层球面网壳结构的力学性能研究.武汉理工大学学报,2003,25(5):40~49
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[16]韩庆华,刘锡良.大矢跨比开孔单层球面网壳结构的抗震分析与设计.空间结构,2001,7(3):52~56
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[18]李黎明.ANSYS有限元分析实用教程.北京:清华大学出版社,2005-0184
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