天津大学新体育馆钢结构总装整体协同作用分析
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摘要
传统的建筑结构设计,一般是各类结构单独作用分别考虑,例如将主体结构、围护结构分别进行计算分析,这种方法不能反映围护结构刚度对主体结构的贡献及其在各种荷载作用下对主体结构的影响,也不能反应主体结构有限刚度对围护结构的效应放大及连接界面处的弹性支承,存在一定的安全隐患。本文采用总装分析方法将各单体结构作为一个整体进行分析,要求结构内部各个构件协同作用,从而消除单体静动力性能分析结果的误差及保证连接界面结构构件的安全,提高结构的设计质量与安全可靠度。
     本文对天津大学新体育馆屋盖桁架、金属幕墙、玻璃幕墙三部分钢结构单体的选型与结构布置进行了详细介绍,并采用有限元软件ANSYS分别建立单体有限元模型,在考虑重力、风、温度、地震等荷载作用下进行了静力、自振及动力特性分析,得到了结构杆件内力的分布情况以及节点位移的大小,并给出了钢结构单体的各阶频率及对应的振型。
     本文对钢结构总装整体布置进行了详细的介绍,对屋盖桁架主体结构、金属幕墙及玻璃幕墙围护结构进行有限元模型组装,考虑与单体分析相同的荷载作用,进行静力、自振及动力特性分析,得到了结构杆件内力的分布情况以及节点位移的大小,并给出了钢结构总装整体的各阶频率及对应的振型。与单体分析结果进行了对比分析,研究杆件应力及节点位移偏差的原因,阐明了考虑结构协同作用的重要性,对总装分析的必要性做出评价。
     通过对天津大学新体育馆实例单体分析与总装分析对比,论证了主体结构及围护结构在重力、风、温度、地震等荷载作用下的总装分析能够得到较为合理可靠的结果,并对单体设计分析结果进行校对,有效解决单体计算带来的偏差,在结构设计的安全性、经济性等方面具有重要意义,可供类似工程设计参考。
In traditional structural design, different parts of the structure are often analyzed independently, like to calculate the main structure and building envelope separately. Some problems exist in this method. It is not able to reflect the contribution or influence building envelope stiffness gives to the main structure under various loads. The amplification of building envelope due to the finite stiffness of the main structure and elastic support at the conjunction are not considered, either. In this paper, assembled modeling analysis is applied. Synergistic effect among components is taken into consideration to reduce the error using isolated modeling analysis and ensure the safe of connection, and enhance the structural design quality and reliability.
     In this paper, the selection and structural arrangement of the roof truss, metal curtain wall and glass curtain wall of Tianjin University Gymnasium were introduced in detail. Considered the gravity load, wind load, temperature action, earthquake action and so on, the isolated models were established with finite element software ANSYS. The static characteristics, natural vibration characteristics and dynamic characteristics were analyzed, and both the stress distribution and joint displacements were obtained. The frequencies and the vibration modes in relation to it were listed.
     The integrated layout of the assembled model was presented. The main structure, the metal curtain wall and the glass curtain wall were assembled to constructed the finite element model. The static characteristics, natural vibration characteristics and dynamic vibration characteristics were analyzed under the equal load used in the isolated structure analysis. The stress distribution and joint displacements of the components were gained. And the frequencies and the corresponding vibration modes of the assembled structures were calculated. The results between the isolated model and the assembled model was compared. The reason for the difference of stress and joint displacements was investigated. The importance to consider the synergistic effect was described and the necessity of assembled model analysis was evaluated.
     Compared the analysis of the isolated model with the assembled model of Tianjin University Gymnasium, it is demonstrated that it is reasonable and dependable to analyze structure under various loads with assembled model. It can be a proofreading of isolated model analysis and solve the deviation that brings about with isolated model analysis. The assembled model analysis plays a significant role in safe and economical structural design and can be given as a reference for related projects.
引文
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