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    空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 JGJ7-2010

    • 發(fā)布日期:2018-07-24
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    4.2.1 按有限元法進(jìn)行空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算時(shí)可采用下列基本方程: KU=F (4.2.1) 式中:K——空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)總彈性剛度矩陣; U——空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移向量; F——空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)荷載向量。 4.2.2 空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)應(yīng)經(jīng)過位移、內(nèi)力計(jì)算后進(jìn)行桿件截面設(shè)計(jì),如桿件截面需要調(diào)整應(yīng)重新進(jìn)行計(jì)算,使其滿足設(shè)計(jì)要求,空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后,桿件不宜替換,如必須替換時(shí),應(yīng)根據(jù)截面及剛度等效的原則進(jìn)行。 4.2.3 分析空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)因溫度變化而產(chǎn)生的內(nèi)力,可將溫差引起的桿件固端反力作為等效荷載反向作用在桿件兩端節(jié)點(diǎn)上,然后按有限元法分析。 4.2.4 當(dāng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)符合下列條件之一時(shí),可不考慮由于溫度變化而引起的內(nèi)力: 1 支座節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造允許網(wǎng)架側(cè)移,且允許側(cè)移值大于或等于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的溫度變形值; 2 網(wǎng)架周邊支承、網(wǎng)架驗(yàn)算方向跨度小于40m,且支承結(jié)構(gòu)為獨(dú)立柱; 3 在單位力作用下,柱頂水平位移大于或等于下式的計(jì)算值: 4.2.5 預(yù)應(yīng)力空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)分析時(shí),可根據(jù)具體情況將預(yù)應(yīng)力作為初始內(nèi)力或外力來考慮,然后按有限元法進(jìn)行分析。對于索應(yīng)考慮幾何非線性的影響,并應(yīng)按預(yù)應(yīng)力施加程序?qū)︻A(yù)應(yīng)力施工全過程進(jìn)行分析。 4.2.6 斜拉空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可按有限元法進(jìn)行分析。斜拉索(或鋼棒)應(yīng)根據(jù)具體情況施加預(yù)應(yīng)力,以確保在風(fēng)荷載和地震作用下斜拉索處于受拉狀態(tài),必要時(shí)可設(shè)置穩(wěn)定索加強(qiáng)。 4.2.7 由平面桁架系或角錐體系組成的矩形平面、周邊支承網(wǎng)架結(jié)構(gòu),可簡化為正交異性或各向同性的平板按擬夾層板法進(jìn)行位移、內(nèi)力計(jì)算。 4.2.8 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)采用擬殼法分析時(shí),可根據(jù)殼面形式、網(wǎng)格布置和構(gòu)件截面把網(wǎng)殼等代為當(dāng)量薄殼結(jié)構(gòu),在由相應(yīng)邊界條件求得擬殼的位移和內(nèi)力后,可按幾何和平衡條件返回計(jì)算網(wǎng)殼桿件的內(nèi)力。網(wǎng)殼等效剛度可按本規(guī)程附錄C進(jìn)行計(jì)算。 4.2.9 組合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可按有限元法進(jìn)行位移、內(nèi)力計(jì)算。分析時(shí)應(yīng)將組合網(wǎng)架的帶肋平板離散成能承受軸力、膜力和彎矩的梁元和板殼元,將腹桿和下弦作為承受軸力的桿元,并應(yīng)考慮兩種不同材料的材性 4.2.10 組合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)也可采用空間桿系有限元法作簡化計(jì)算。分析時(shí)可將組合網(wǎng)架的帶肋平板等代為僅能承受軸力的上弦,并與腹桿和下弦構(gòu)成兩種不同材料的等代網(wǎng)架,按空間桿系有限元法進(jìn)行位移、內(nèi)力計(jì)算。等代上弦截面及帶肋平板中內(nèi)力可按本規(guī)程附錄D確定。   條文說明   4.2 靜力計(jì)算 4.2.1 有限單元法是將網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的每根桿件作為一個(gè)單元,采用矩陣位移法進(jìn)行計(jì)算。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和雙層網(wǎng)殼以桿件節(jié)點(diǎn)的三個(gè)線位移為未知數(shù),單層網(wǎng)殼以節(jié)點(diǎn)的三個(gè)線位移和三個(gè)角位移為未知數(shù)。無論是理論分析及模型試驗(yàn)?zāi)酥凉こ虒?shí)踐均表明,這種桿系的有限單元法是迄今為止分析網(wǎng)格結(jié)構(gòu)最為有效、適用范圍最為廣泛且相對而言精度也是最高的方法。目前這種方法在國內(nèi)外已被普遍應(yīng)用于網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算中,因此本規(guī)程將其列為分析網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的主要方法。 有限單元法可以用來分析不同類型、具有任意平面和幾何外形、具有不同的支承方式及不同的邊界條件、承受不同類型外荷載的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。有限單元法不僅可用于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的靜力分析,還可用于動(dòng)力分析、抗震分析以及穩(wěn)定分析。這種方法適合于在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行運(yùn)算,目前我國相關(guān)單位已編制了一些網(wǎng)格結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)軟件可供使用。由于桿系和梁系有限元法在不少書本中已有詳盡的論述,本規(guī)程僅列出其基本方程。 值得指出,對于空間梁單元,尚有考慮彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)、翹曲和軸向變形耦合影響的、更為精確的單元。每個(gè)節(jié)點(diǎn)除了通常的三個(gè)線位移和三個(gè)角位移,還考慮截面翹曲的影響,即增加了表征截面翹曲變形的翹曲角自由度,因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)有七個(gè)自由度。目前的大多數(shù)分析程序只包含了一般的空間梁單元,可滿足大多數(shù)實(shí)際工程的計(jì)算精度要求;對于桿件約束扭轉(zhuǎn)影響十分顯著的情況,可考慮采用七個(gè)自由度的空間梁單元 4.2.2 空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,由于桿件截面調(diào)整而進(jìn)行的重分析次數(shù)一般為3~4次??臻g網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后,如由于備料困難等原因必須進(jìn)行桿件替換時(shí),應(yīng)根據(jù)截面及剛度等效的原則進(jìn)行,被替換的桿件應(yīng)不是結(jié)構(gòu)的主要受力桿件且數(shù)量不宜過多(通常不超過全部桿件的5%),否則應(yīng)重新復(fù)核。 4.2.3 本條給出了空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)溫度內(nèi)力的計(jì)算原則。對于桿件只承受軸向力的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),因溫差引起的桿件內(nèi)力可由下式計(jì)算: 空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力是指在溫度場變化作用下產(chǎn)生的應(yīng)力,溫度場變化范圍應(yīng)取施工安裝完畢時(shí)的氣溫與當(dāng)?shù)爻D曜罡呋蜃畹蜌鉁刂睢R话闱闆r下,可取均勻溫度場,即式(1)中的溫差△t。但對某些大型復(fù)雜結(jié)構(gòu),在有些情況下(如室內(nèi)構(gòu)件與室外構(gòu)件、迎光面構(gòu)件與背光面構(gòu)件等)會(huì)形成梯度較大的溫度場分布,此時(shí)應(yīng)進(jìn)行溫度場分析,確定合理的溫度場分布,相應(yīng)的,式(1)中的△t應(yīng)改為△tij 4.2.4 對于網(wǎng)架結(jié)構(gòu),溫度應(yīng)力主要由支承體系阻礙網(wǎng)架變形而產(chǎn)生,其中支承平面的弦桿受影響最大,應(yīng)作為網(wǎng)架是否考慮溫度應(yīng)力的依據(jù)。支承平面弦桿的布置情況,可歸納為正交正放、正交斜放、三向等三類。 其次,在網(wǎng)架的不同區(qū)域中,支承平面弦桿的溫度應(yīng)力也不同。計(jì)算表明,邊緣區(qū)域比中間區(qū)域大,考慮到邊緣區(qū)域桿件大部分由構(gòu)造決定,有較富裕的強(qiáng)度儲備,本條將支承平面弦桿的跨中區(qū)域最大溫度應(yīng)力小于0.038f(f為鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)作為不必進(jìn)行溫度應(yīng)力驗(yàn)算的依據(jù),條文中的規(guī)定經(jīng)計(jì)算均滿足這一要求。  4.2.5 對于預(yù)應(yīng)力空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu),往往采用多次分批施加預(yù)應(yīng)力及加荷的原則(即多階段設(shè)計(jì)原則),使結(jié)構(gòu)在使用荷載下達(dá)到最佳內(nèi)力狀態(tài)。同時(shí),由于施工工藝和施工設(shè)備的限制,施工過程中也會(huì)出現(xiàn)分級分批張拉預(yù)應(yīng)力的情況。因此預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅要分析結(jié)構(gòu)在使用階段的受力特性,而且要考慮結(jié)構(gòu)在施工階段的受力性能,施工階段的受力分析甚至可能比使用階段更重要。因此,對預(yù)應(yīng)力空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行考慮施工程序的全過程分析是十分必要的。 4.2.6 斜拉索的單元分析可采用有限單元法和二力直桿法(亦稱等效彈性模量法)。有限元分析中的索單元主要包括二節(jié)點(diǎn)直線桿單元和多節(jié)點(diǎn)曲線索單元兩類。前者沒有考慮索自重垂度的影響,索長度較小時(shí)誤差較小,通常需將整索劃分為若干單元;后者則考慮了索自重垂度影響,可視整索為一個(gè)單元。 對斜拉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的整體而言,二力直桿法也是有限元方法。將斜拉索等代為彈性模量隨索張力大小而變化的受拉二力直桿單元,其剛度矩陣即歸結(jié)為常規(guī)桿單元的剛度矩陣。等效彈性模量可由下式計(jì)算: 4.2.7 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的擬夾層板法計(jì)算,是指把網(wǎng)架結(jié)構(gòu)連續(xù)化為由上、下表層(即上、下弦桿)和夾心層(即腹桿)組成的正交異性或各向同性的夾層板,采用考慮剪切變形的、具有三個(gè)廣義位移的平板理論的分析方法。一般情況下,由平面桁架系或角錐體組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)均可采用這種方法來計(jì)算。通過分析比較,擬夾層板法的計(jì)算精度在通常情況下能滿足工程的要求。 擬夾層板法曾是國內(nèi)應(yīng)用較廣的方法之一。采用該法計(jì)算網(wǎng)架結(jié)構(gòu)時(shí),可直接查用圖表,比較簡便,容易掌握,不必借助于電子計(jì)算機(jī)。目前國內(nèi)已有不少著作和手冊介紹此法,并有現(xiàn)成圖表可供設(shè)計(jì)人員使用,故本規(guī)程不再給出具體的計(jì)算公式和計(jì)算圖表。 4.2.8 大部分網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)可通過連續(xù)化的計(jì)算模型等代為正交異性,甚至各向同性的薄殼結(jié)構(gòu),并根據(jù)邊界條件求解薄殼的微分方程式而得出薄殼的位移和內(nèi)力,然后可通過內(nèi)力等效的原則,由擬殼結(jié)構(gòu)的薄膜內(nèi)力和彎曲內(nèi)力返回計(jì)算網(wǎng)殼桿件的軸力、彎矩和剪力。 4.2.9、4.2.10 組合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析目前主要采用有限元法。對于上弦?guī)Ю咂桨逵袃煞N計(jì)算模型,一是將帶肋平板分離為梁元與板殼元;另一是把帶肋平板等代為上弦桿,仍采用空間桁架位移法作簡化計(jì)算。本規(guī)程把這兩種計(jì)算方法均推薦為分析組合網(wǎng)架時(shí)采用。 按空間桁架位移法簡化計(jì)算組合網(wǎng)架的具體步驟、等代上弦桿截面積的確定及反算平板中的薄膜內(nèi)力均在本規(guī)程附錄D中作了闡述。該法計(jì)算簡便,可采用普通網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的計(jì)算程序,目前國內(nèi)許多組合網(wǎng)架實(shí)際工程的分析計(jì)算均采用了該方法,能滿足工程計(jì)算精度的要求。
    關(guān)鍵詞: 結(jié)構(gòu)工程
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