广州歌剧院多功能厅钢结构力学性能分析

摘要

随着结构跨度增大、形式多样化、造型复杂化，结构中杆件与杆件的连接方式日趋多样化。在焊接球节点、螺栓球节点、钢板焊接节点、铸钢节点等众多节点形式中，铸钢节点以其材质均匀、不同方向受力性能相同、无残余应力等优点，使得设计出的节点形式灵活多样，受力性能安全可靠，逐渐应用于越来越多的空间结构。 目前，国内还没有一套成熟的铸钢节点设计方法。工程中采用的铸钢节点均按照一事一议的模式进行专项研究，即针对具体工程项目的实际铸钢节点，通过有限元理论分析与试验测试结果相结合的方式来保证其安全性，对整体钢结构力学性能分析中铸钢节点的处理一般采用刚接的方式，忽略了铸钢节点刚性区的影响。 广州歌剧院多功能厅空间构型复杂，主要铸钢节点体积庞大，杆件空间角度多样化，是当前钢结构行业中较为复杂的结构之一。论文针对该结构构形的特异性，进行了复杂铸钢节点的力学性能分析，并在此研究基础上完成了考虑节点刚性区影响的整体钢结构的力学性能分析。 论文的主要工作和研究成果如下： (1)采用忽略铸钢节点刚性区影响的方法、有限元实体模拟法、刚性材料法分别对广州歌剧院多功能厅铸钢节点进行力学分析。计算结果表明：忽略铸钢节点刚性区的影响将低估节点的刚度；有限元实体模拟法能较准确的模拟铸钢节点的各项力学指标，但在整体结构分析中难以实现；刚性材料法可以得到较准确的计算结果，且较有限元实体模拟法易于实现。 (2)多个铸钢节点的模拟计算表明，在刚性材料法中，广州歌剧院多功能厅铸钢节点刚性区内单元刚度达到刚性区外单元刚度的10倍。 (3)采用忽略铸钢节点刚性区的方法和刚性材料法分别对广州歌剧院多功能厅整体钢结构进行力学性能分析，并将计算结果与现场实测结果进行对比分析。结果表明：忽略铸钢节点刚性区影响的方法得到的理论计算结果与现场实测值相差较大；刚性材料法得到的理论计算结果与现场实测值吻合较好。 (4)在广州歌剧院多功能厅整体钢结构力学分析中，采用刚性材料法对铸钢节点刚性区进行处理能获得较好的计算效果，该方法是可行的。

目录

文摘

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声明

第1章 绪论

1.1研究背景及发展现状

1.1.1国外铸钢节点发展现状

1.1.2国内铸钢节点发展现状

1.2工程背景及概况

1.3研究内容与方法

1.3.1铸钢节点、整体钢结构有限元分析

1.3.2广州歌剧院钢结构试验分析

1.4研究意义

第2章 铸钢节点刚性区力学特性理论分析

2.1铸钢节点的特点

2.2铸钢节点刚性区问题的提出

2.3铸钢节点刚性区的力学特性分析

2.3.1抗弯刚度分析

2.3.2轴向刚度分析

2.3.3抗扭刚度分析

第3章 铸钢节点力学性能分析

3.1铸钢节点力学性能分析所用ANSYS单元类型

3.1.1 BEAM188梁单元属性

3.1.2 SHELL143壳单元属性

3.2忽略铸钢节点刚性区的影响

3.3铸钢节点有限元实体模拟法

3.4主从节点法

3.5刚性材料法

3.6钢箱梁固定支承端部应力点选取

3.6.1悬臂梁理论求解

3.6.2悬臂梁有限元分析

3.7对各种处理方法的分析

3.8对各种分析方法的评价

第4章 整体钢结构有限元分析

4.1有限元分析基本数据

4.2有限元模型的建晓

4.3有限元计算结果

第5章 广州歌剧院钢结构试验分析

5.1广州歌剧院钢结构试验内容

5.1.1位移监测

5.1.2应力监测

5.2位移监测

5.2.1监测点的优化布设

5.2.2监测控制网的建立

5.3应力监测

5.3.1传感器的布设

5.4监测结果

第6章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致 谢

附录 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文