基于有限元的大跨度交叉桁架力学性能研究——以青岛市城阳区某体育馆为例

摘要

空间结构形式非常丰富，每一种结构形式都有自身的特点。在建筑造型、结构受力和经济性上也有很大差异。桁架结构以其造型的多变性和受力方面的优越性而广泛应用于大跨度钢结构工程之中，是结构工程师和建筑师青睐的形式。本文以实际工程青岛城阳区某体院馆为例，使用大型通用有限元软件ANSYS，分析和对比了其交叉桁架屋盖结构，并详细研究了其静力性能和动力性能。
　　本文首先对大跨空间结构进行了特点和分类介绍，并重点对桁架结构进行理论和实际工程的介绍。运用ANSYS有限元软件，对该屋盖结构分别建立了全刚接模型、弦杆刚接腹杆铰接模型和铰接模型三种模型。研究该交叉桁架在恒荷载、半跨活荷载和两个方向的风荷载作用下，结构的变形情况、应力分布情况、以及支座反力的大小及其变化，并对比了三种模型在相同荷载情况下的静力力学性能，得到不同模型的优劣性。
　　其次，本文运用ANSYS有限元软件，针对交叉桁架屋盖结构的刚接模型、弦杆刚接腹杆铰接模型、铰接模型三种模型，在升温和降温两种工况下，分析其性能。得出了其在两种工况下的结构变形、杆件应力和支座反力等方面力学性能。并通过对比得到了不同节点连接方式下的最大值，明确了温度作用对该大跨钢结构的性能影响。对以后施工过程和使用过程中温度的控制具有指导意义。
　　再次，本文对该交叉桁架屋盖结构运用ANSYS软件，对三种交叉桁架模型的动力特性进行了分析，包括自振特性和振型模态分析得到三种模型的刚度分布情况和刚度大小对比。
　　最后，本文运用ANSYS的瞬态分析模块，对三种交叉桁架模型，分别输入了三种地震波进行了时程分析计算，得到了结构在变形和受力方面的结构响应和结构抗力。通过对比分析发现:在EL波作用下，本文中的三种交叉桁架屋盖体系的变形和受力均最不利。
　　该章节分析计算所得到的结果，对实际的该屋盖桁架抗震设计方面具有一定的指导和借鉴意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 大跨空间结构概述

1．1．1 大跨空间结构的发展

1．1．2 大跨空间结构的特点与分类

1．2 空间桁架结构概述

1．2．1 空间桁架结构的分类

1．2．2 空间桁架结构的工程应用

1．3 本文工程背景及主要研究内容

1．3．1 工程背景

1．3．2 研究内容

第2章 桁架结构有限元分析基本原理

2．1 有限元分析基本理论

2．2 有限元软件ANSYS简介

2．3 杆单元基本理论和梁单元基本理论

2．3．1 杆单元基本理论

2．3．2 梁单元基本理论

2．4 三种桁架分析模型

2．5 本章小结

第3章 交叉桁架屋盖静力性能分析

3．1 三种杆件连接方式下的交叉桁架屋盖模型建立

3．1．1 刚接桁架模型建立

3．1．2 刚铰桁架模型建立

3．1．3 铰桁架模型建立

3．2 三种模型恒荷载作用下力学性能对比分析

3．2．1 刚接模型恒荷载下力学性能分析

3．2．2 刚铰模型恒荷载下力学性能分析

3．2．3 铰接模型恒荷载下力学性能分析

3．2．4 三种模型恒荷载下力学性能对比分析

3．3 三种模型半跨活荷载作用下力学性能对比分析

3．3．1 刚接模型半跨活荷载下力学性能分析

3．3．2 刚铰模型半跨活荷载下力学性能分析

3．3．3 铰接模型半跨活荷载下力学性能分析

3．3．4 三种模型半跨活荷载下力学性能对比分析

3．4 三种模型风中荷载作用下力学性能对比分析

3．4．1 风荷载简述

3．4．2 三种模型在X向风荷载作用下力学性能分析

3．4．3 三种模型在Y向风荷载作用下力学性能分析

3．4．4 三种模型在风荷载作用下对比分析

3．5 本章小结

第4章 温度作用对交叉桁架屋盖力学性能的影响

4．1 温度作用概述

4．2 温度作用

4．3 温度效应分析

4．3．1 温度作用下刚接模型力学性能分析

4．3．2 温度作用下刚铰模型力学性能分析

4．3．3 温度作用下铰接模型力学性能分析

4．3．4 温度作用下三种模型力学性能对比分析

4．4 本章小结

第5章 交叉桁架屋盖动力性能分析

5．1 概述

5．2 自振特性理论分析

5．3 三种模型自振特性分析

5．4 瞬态动力学简介

5．5 三种模型时程分析对比

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献