1、青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 1 第一章 大跨度钢结构的应用与发展 1.1 大跨度钢结构的应用 钢结构是各类工程结构中应用比较广泛的一种建筑结构。一些高度高或者跨度大的结构、荷载或吊车起重量较大的结构、有较大振动或较高温度的厂房结构、要求活动或经常装拆的结构、在地震多发区的房屋结构等均考虑采用钢结构。钢结构的应用范围大致有：大跨度钢结构（如各种体育场、机场、大跨桥梁）、高层建筑（大型饭店、商场、办公大楼等）、高耸结构（电视塔、信号塔、输电线路塔、石油化工塔、火箭发射塔等）、板壳钢结构（大型储油库、煤气库、炉壳等）、承受重型荷载的 结构（重工业的冶炼车间、铸钢车间、飞机制造厂的装配车间等
2、）、轻型钢结构（中小型房屋建筑、体育场看台的雨棚、小型仓库等）、桥梁钢结构（中跨度的斜拉桥和悬索桥，如南浦大桥、杨浦大桥、江阴长江大桥等）、移动钢结构（如各种吊车、起重机）。 本文重点讨论大跨度钢结构。 大跨度空间钢结构往往是衡量一个国家或地区建筑技术水平的重要标志，其结构形式主要有网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构、薄壳结构等五大空间结构及各类组合空间结构，形态各异的空间结构在体育场馆、会展中心、影剧院、大型商场、工厂车间等建筑中得到广泛应用 。 近年来我国大跨度钢结构发展迅速，特别是北京奥运会的大型体育馆的建设规模和技术水平在世界上都是最先进的，将成为我国空间钢结构发展的里程碑。世界著名
3、的大跨度空间钢结构如表 1-1；国内的大型空间钢结构如表 1-2： 表 1-1 世界著名空间钢结构 建筑名称 建成时间 跨度 结构体系 美国加利福尼亚大学体育馆 20世纪 60年代 91m*122m 网架 休斯顿宇宙穹顶 20世纪 70年代 直径 196m 双层网壳 美国新奥尔良超级穹顶 1975年 直径 207m 双层网壳 日本名 古屋体育场 20世纪 90年代 直径 188m 单层网壳 日本福岗体育馆 1993年 直径 222m 球壳 加拿大卡尔加里体育馆 1983年 圆平面直径 135m 双曲抛物面索网 日本东京 “ 后乐园 ” 棒球馆 1988年 近似园直径 204m 气承式索膜结构
4、亚特兰大佐治亚穹顶 1992年 椭圆 192*241m 索膜结构 法国国家工业与技术陈列中心 1959年 三角形边长 218m 装配整体式薄壳 英国千年穹顶 1999年 直径 320m 张力膜结构 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 2 罗马小体育馆 1957年 直径 59.13m 网格穹窿型薄 壳 华盛顿杜勒斯国际机场候机厅 1962年 45.6m*182.5m 悬索结构 世界博览会法国巴黎机械馆 1967年 115m*420m 三角拱 美国密执安州庞蒂亚光体育场 1985年 234.9m*183m 空气薄膜结构 美国新奥尔良市体育馆 1976年 圆形直径 207m 网架 表 1-2 我国
5、国内著名大型空间钢结构 工程名称 建造年代（年） 结构平面尺寸（ m） 结构体系 国家体育场（鸟巢） 2007 长轴 340，短轴 292 空间门式钢架 北京国家游泳中心 2007 矩形 170*170 空间网格结构 北京国家体育馆 2007 矩形 250*140 双向张弦梁 天津奥林匹克中心 2005 椭圆 471*370 钢桁架带悬挑 北京老山奥运自行车馆 2007 圆形 130 双层球面网壳 北京奥运会篮球馆 2007 圆形 120 双向正交正方网架 北京奥运会羽毛球馆 2007 圆形 105 弦支穹顶 北京奥运会摔跤馆 2007 圆形 90 巨型门式钢架 北京奥运会乒乓球馆 2007
6、圆形 80 预应力空间桁架壳 沈阳奥体中心体育场 2007 最大跨度 360 钢结构 桁架拱 山东济南奥体中心 2006 椭圆 360*310 钢结构悬挑 郑州国际会展中心 2006 152*180 张弦桁架 浙江宁波国际会展中心 2005 短跨 72 正交正放三角管桁架 成都新世纪国际会展中心 2004 短跨 78 空间管桁架 上海火车南站 2006 跨度 276 预应力肋环形网壳 广东南海市文化中心 2002 椭圆 153*109 空间立体钢桁架 安徽大学体育馆 2000 跨度 87.757 弦支穹顶 深圳市民中心 2003 矩形 270*120 桁架及网架组合 湖南省游泳跳水馆 2003
7、 185.7*126.2 马鞍形网壳 山东荣成体育馆 2006 跨度 98.11 空间管桁架 北京昌平体育馆 2007 跨度 98 预应力拉索钢桁架 吉林长春体育馆 1998 142*194 钢桁架 山西大同大学体育馆 2006 跨度 115 空间网架 福建省体育馆 2002 跨度 91.9 双层球面网壳 复旦大学正大体育馆 2006 最大 100 钢桁架及索膜结构 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 3 黄山体育馆 2000 跨度 78 双层三角锥网壳 河南洛阳师范大学体育馆 2003 长轴 68，短轴 48 椭圆球形双层网壳 黑龙江齐 齐哈尔体育馆 2000 三角边长 105.7 双层抛
8、物面网壳 山西晋中体育中心体育馆 2003 长轴 89，短轴 72 正放四角锥网壳 四川大学体育馆 2000 长向 101.6、短向 96 旋转曲面组合网壳 上海八万人体育场 1997 最长悬挑 73.5 膜结构 常州体育馆 2008 长轴 120，短轴 80 张拉弦网壳 1.2 我国大跨度空间钢结构的发展 随着科技水平的提高，我国空间结构理论分析近年来得到了长足的发展，计算方法由连续化分析道离散化分析，由近似计算到精确分析，由等效静力分析到直接动力分析，由线 性分析道非线性分析。研究方法向理论、试验与大量计算机分析相结合的方向发展。 1) 结构形式多样化，大跨空间钢结构多姿多彩 自上世纪 6
9、0 年代网架在我国被应用以来，到 80 90 年代大、中、小跨度的网架几乎已经遍及各地。以 90 年北京亚运会为例，在兴建的场馆中就有 7 个馆采用了网架、网壳结构，在这期间机械、汽车、化工、轻工等行业先后兴建了许多大面积工业厂房，上海江南造船厂西区装焊车间 (144+108)m 60m，设有 2 台100t， 4 台 20t 上、下两层吊车，采用的三层网架，成为跨度大、吊吨位大的有代表性的车间。首都机 场四机位机库 (2 153m 90m)、厦门太古飞机维修库(151 5m 70m)都是具有大开口边的大型三层网架结构。采用折线形网壳取得了良好的技术经济效果：福建漳州后石电厂煤库 (D=122
10、 6m)采用的球面网壳，其用钢量比传统方案大幅度下降。北京九华海洋馆 (180 320 56 6m)以及国家大剧院 (约 212 t43 45m)都将采用大型椭球网壳。近年来兴建的大型公共建筑大多都采用了钢管杆件直接汇交的管桁结构，它的外形丰富、结构轻巧，传力简捷、制作安装方便、经济效果好，是当前应用较多的一种结构体系。如深圳机 场航站楼二期工程 (135m 174m)采用的管桁结构 (柱网 18m 54m)，就是其中的一项具有代表性的工程。广州新白云机场航站楼主楼 (325m 235m)采用了 76 9m 跨的弧形管桁结构，其截面从筋 508 (16 25)mm(弦杆 ) 244.5 7.1
11、mm(腹杆 )以及咸阳机场二期工程 (52m+45m) 234m，南京国际展览中心 (94m 273m)，温州会展中心等也都采用了这类结构。 2) 现代预应力技术的引入使大跨度空间钢结构更具活力 在大跨度空间结构中引入现代预应力技术，不仅使结构体形更为丰富而 且也使其先进性、合理性、经济性得到充分展示。通过适当配置拉索，或可使结构获得新的中间弹性支点或使结构产生与外载作用反向的内力和挠度而卸载，前者即青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 4 为斜拉结构体系，后者则为预应力结构体系。这一类“杂交”结构体系将改善原结构的受力状态，降低内力峰值，增强结构刚度、技术经济效果明显提高。目前我国已在 80
12、 余项大跨空间钢结构工程中应用了预应力技术，如广东清远市体育馆 (六点支承，对角柱跨度 89m，六块组合型双层扭网壳 )在周边设 6 道预应力索后其用钢量 44 3kg/m，约比原方案节省钢材 32，其它一些类型的网壳结构采用预应 力技术后一般都可节约 30以上的钢材。 3) 研究手段的进展 结合具体工程进行了大量的实验研究，其中包括了悬索、网架、网壳、组合结构和张拉整体等各类空间结构。编制了大量的计算机程序对各类空间结构体系进行计算分析，揭示了各种新型结构动力特性与地震反应特点及岁参数变化的规律。给出了各种空间结构的响应规律，实验结果与计算分析值基本得到相互验证，新的研究成果使得新结构、新体
13、系层出不穷，极大地丰富了空间结构领域，进一步展示了我国建筑水平的不断提高。 4) 计算理论的发展 空间结构的计算理论由弹性理论分析道弹塑性地震响 应分析，在多遇地震作用下按弹性阶段进行计算的同时，还要防止结构在罕遇地震作用下倒塌并考虑到设计的经济性对结构弹塑性进行分析。利用圆杆截面空间梁系弹塑性本构关系结合分割有限元法、 Newmark 逐步积分法和 Euler 一次 Newton Raphson 迭代法，编制了空间网壳结构弹性塑性地震响应时程分析程序，给出了单层球面单层柱面网壳结构弹塑性响应规律和斜拉网格结构弹塑性响应规律，推导出了单层弹塑性刚度矩阵，研究了单层与双层柱面网壳弹塑性反应岁参数
14、的变化情况。对柔性结构全面考虑了几何非线性的影响，使得计算精度得到大幅 度的提高，计算理论不断完善。 5) 结构抗震分析理论的进展 大跨度钢结构抗震分析从单维地震反应分析发展到多维地震反应分析。由于地震时地面运动是多维的，同时各方向地震动引起的地震响应一般为同数量级的，因此为更真实的掌握结构地震反应，进行多维地震反应分析时必要的。地震有六维分量，由于结构设计形式尽量保证了均匀对称，同时计算转动分量将带来过大的计算工作量，目前研究的震动以三个平动分量输入为主，为考虑三维地震输入，大跨度空间结构曾用时程法进行确定分析。 1.3 未来我国对钢结构发展的紧迫性 我国每年的建 筑用钢量仅 1%被用于预制
15、钢结构，与发达国家 80%以上的用量比较，差距巨大，形式要求我们必须加大钢结构的应用、开发；我国是世界上最大的砖砌体建筑与混凝土建筑大国。每年生产 7000 亿块砖（约占世界总产量的 1/2）、 5 亿吨水泥（占世界总产量 1/3 强），生产砖的代价是每年毁农田约 15青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 5 万亩，消耗标准煤约 7000 万吨，生产水泥的代价是每年排放温室气体 CO2 约 3亿吨（生产 1 吨水泥熟料，排施 1 吨 CO2），破坏的矿山与排放的废水则难以统计。解决的最好办法就是大力发展钢结构，减少对环境的破坏。 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 6 第二章 大跨度钢结构施
16、工阶段力学分析与创新施工方法 2.1 大跨度钢结构施工阶段力学分析 空间钢结构的施工是一个多阶段的动态过程，随着施工过程的进行，结构体系在不断地变化，构件在增添或删减，约束条件在转变，构件链接的边界在变化，结构自重、施工荷载在变化；前一个施工阶段的结构受力状态对后一期施工的结构受力性能乃至最终结构的工作状态有着密切联系；即便是同样的结构，若采用不同的施工方法和顺序，也会得到不同的终态构型。空间钢结构表现出的三围受力特性使得结构从施工开始就表 现出较强的与设计状态不同的受力特性，这使得跟踪计算结构施工全过程的受力状态变得十分必要。 2.1.1 施工力学的理论基础 施工力学的研究对象的特点在于：
17、1）施工成型过程中涉及到的荷载主要为结构自重； 2）施工过程中各阶段分析模型的刚度阵、约束条件也是变化的； 3）成型后内力和位移是各阶段物理量累积的结果。 在非线性有限元增量方法中，分析问题一般被离散为某一个时间序列0=0t 1t mt =T，以考虑结构的变形历史，根据参考构型的不同，非线性增量有限元的求解方法分两种：第一种方法称为完全的拉格朗日（ Total Lagrangian）方法，简称 T.L 法，整个分析过程始终以 0t 时刻的构型作为结构的参考时间；第二种方法为修正的拉格朗日（ Updatel Lagrangian）方法，简称 U.L 法 ，是在时间 kk tt ,)1( 内所有的
18、物理量均以 )1(kt 时的构型作为参考构型。 1) T.L 法 根据拟定的施工方案把整体结构模型划分为 m 个分块 , 21 ss ms ，其中 is 为第 i 个施工阶段安装的单元。 推导可得： 0)( 1010 kkkk FdVSSE （ 2-1） 其中， 1kF 外力在 1kt 时刻构型下外荷载等效节点力向量，施工中通常只考虑自重。引入单元位移插值模式和本构模型后，可分别得到空 间索单元、空间杆件单元、空间梁单元的切线刚度阵。 2) U.L.法 U.L 法的分析过程与 T.L 法类似，主要不同在于 1, kk tt 时间段内的分析以 kt青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 7 时的位
19、行作为参考构型，则 kt 时的应变增量为： NkyLkyky EEE （ 2-2） 其中， kjkjkjkjLky xuxuE 21 （ 2-3） kjkjkjkmNky xuxuE 21 （ 2-4） 其中 Txxxx 321 , 为任意的空间坐标矢量。 2.1.2 杆系单元的有限元分析列式 常见的空间钢结构体系中涉及到的单元有：梁单元、杆单元、索单元；空间钢结构施工分析中最常用的三类单元为空间两节点直线单元、空间两节点索单元、空间梁单元。其中空间两节点直线索单元分析列式和空间两节点直线杆单元的有限元分析列式相似，以下以空间两节点直线杆单元的非线性大变形为例介绍空间杆系单元的有限元分析列式。
20、 图 2-1 空间两节点杆单元 建立空间铰接两节点直线杆单元的非线性元分析列式的假定为： （ 1） 杆件只受轴向力作用； （ 2） 单元的两端为空间铰接点，忽略节点刚度的影响； （ 3） 杆件处于弹性工作阶段。 通过推导可得： LL LLuL KK KKlEAK 2221 1211 （ 2-5） 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 8 SS SsukS KK KKl ASK 2221 121111 （ 2-6） 其中： SSSSLLLL KKKKKKKK 2212221122122211 , ， AS11 为单元的轴力， 00000111symK L （ 2-7） 10100111symK
21、S （ 2-8） 2.1.3 施工力学的实用分析方法研究 空间钢结构施工分析的难点在于结构模型时变的处理，已有的研究大都基于非线性有限元增量方法。根据施工分析顺序的差异，施工过程可以分为正装分析和倒装分析两大类。 1） 正装施工分析：根据拟定的施工顺序重构结构的分析模型，对每一施工阶段的结构受力状态进行跟踪计算，当前施工阶段的分析均以前一阶段的计算结果为基础，直到结构成型状态的分析方法。 2） 倒装施工分析：从结构施工 成型后的状态出发，按照与实际施工过程相反的顺序分阶段拆除构件，计算当前拆除的构件对结构的剩余构件变形的影响，从而获得结构在各施工阶段的几何变形。 目前应用较多的两种基于非线性有
22、限元增量方法发展起来的实用分析方法为：生死单元技术和施工多阶段分析理论，两种方法的主要不同点在于对结构模型时变的模拟。两种分析理论的不同之处在于对未安装单元的处理，即对模型时变的处理上，生死单元法通过“生死”系数将后阶段安装的单元“杀死”来消除未安装单元的影响，而施工多阶段分析理论则时通过模型的重组实现分析模型的时变，分析时只组装已安 装单元部分刚度阵。 此处介绍生死单元法的应用改进 对于某些施工方法如滑移法而言，结构是在胎架上安装的，此时采用生死单元法与实际情形不符。作为对生死单元法“死”单元“漂移”问题的一种改进，可以采用一下方法组装总刚度阵： 0321432144433433333231
23、232221131211fffuuuukkkkkkkkkkkkkiiiiiiiiiiii （ 2-9） 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 9 采用分块求解两部分单元的位移，可见被激活的单元的求解结果未变，对于被杀死单元： 0344434 ukku i id （ 2-10） 式（ 2-9）的物理意义为对后阶段安装单元的自由度加以约束。 采用生死单元法进行施工力学分析时，结构的后安装阶段的单元的初始安装位形有可能处于畸变了的位形上；采用改进的生死单元法分析，仅适用于滑移法等初始安装位置确定的施工过程。 生死单元分析时一次建模，因而在处理结构的安装位形时较为困难。基于施工多阶段分析理论的分析时采
24、用边分析边重组的方法，因而对于控制单元的初始安装位形较为方便。但是精 确确定结构的初始安装位形尚存在困难。 通过以上的分析可见，空间钢结构的施工力学分析的关键问题在于控制后安装阶段的“漂移”，合理的分析过程应当根据施工分析过程而定。根据施工过程中结构后阶段安装单元的安装位形，可以分为两大类：第一类施工方法中新安装单元支撑在胎架等结构上，如滑移法等，此类施工过程的分析可以采用基于施工多阶段分析理论的线性分析方法；第二类施工方法中新安装单元支撑在已安装结构上，如悬臂法等，此时应当考虑到结构在施工过程中初始安装位形的变化，此时应采用基于多阶段分析理论的非线性分析方法。 2.1.4 滑移施工过程算例分
25、析研究 施工分析对象为某电厂的 102m 跨度三心圆柱面网壳，该柱面网壳结构干煤棚长度为 130m，网格大小为 4.1m*4.1m，网壳厚度为 3.4m，网壳高度为 36.2m，跨度为 95.2m，上弦支撑。如下图所示： 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 10 图 2-2 某柱面网壳结构模型 取结构下弦顶点处的节点 1-34 的 Z向位移为研究对象，其中 1-9为第一施工阶段的节点，节点 10-17 为第二施工阶段的节点，节点 18-25 为第三施工阶段的节点，节点 26-34 为第四施工阶 段构件上的节点。 图 2-3 生死单元法计算结果 如上图所示为采用生死单元法分析得到的四个施工阶段节点位移。
