大跨门式钢架轻钢结构脉动风荷载模拟分析
论文范文：大跨度门式刚架结构设计与分析
论文范文：大跨度门式刚架结构设计与分析第1章绪论1.1选题的目的和意义门式刚架顾名思义，是如同门一样的结构，它在国内外是一种比较常见的结构形式，而且应用非常广泛。
门式刚架本身的质量比较轻，结构不是很复杂，柱网布置较灵活，因此，其施工周期就会比较短，成本就可以很好的控制。
在1910年的德国布鲁塞尔专为世博会建造的机械工程展厅，采用了多层阶形布置的刚架结构，是早期典型的门式刚架结构；1932 年建成的德国埃森煤矿税收协会采用了门式钢框架结构。
门式刚架结构具有大跨度，可以应用于需要大空间结构要求的建筑，如单层厂房，人员较多的超级市场，储存大量物资的仓库等工业与民用建筑等，在很多方面门式刚架都具有很强的竞争力，而且有着很广阔的市场前景。
虽然门式刚架优点很多，但是在我国的钢结构建筑却发展的比较晚，直到1990年以后，钢结构体系才在我国的到了比较全面发展。
在单层厂房、超级市场、大型仓库中门式刚架得到大规模应用；多高层建筑也开始采用钢框架；传统钢结构维护构件质量大造价高，而近几年的薄壁彩钢板的应用大大改观了现状；钢管的交会焊接结构与拉索结构的结合一直延伸到了许多文化体育等社会公共建筑当中；冷弯薄壁型钢在当今建筑行业已被广泛应用，檩条就是其典型的代表，除了在维护构件方面得到应用，它也作为受力构件进行使用。
随着科技的进步和钢材的质量越来越高，一些发达国家看到了钢结构的重要性，而且也越来越重视。
我国的钢铁产业在得到快速发展的同时，也注意到了钢结构建筑的重要性。
自1996年以后我国的钢铁产量实现了飞跃式的成绩，达到并突破了一亿吨，而且在随后的七年里，一直位于世界钢铁产量的首位。
而在2000以后我国凭借钢产量是世界的0.23%的数据，成为钢消费大国。
进入到2004年，中国的钢铁产量已经是世界钢铁总量的25%，已经是1996年的将近三倍，达到了2.6亿吨。
中国钢铁业的这种从无到有，从有到丰富的这种大跨越发展，促使国家相继推出了有关发展钢材的制造，生产，安装的一系列技术政策。
30米跨度门式钢结构厂房风荷载计算比较
30米跨度门式钢结构厂房风荷载计算比较引言门式钢结构厂房是一种常见的工业建筑形式，其优点包括结构稳定、施工周期短等。
在设计门式钢结构厂房时，风荷载计算是至关重要的一步。
本文将比较两种不同方法计算30米跨度门式钢结构厂房的风荷载，帮助设计师选择适合的方法。
方法一：规范方法规范方法是最常用的计算门式钢结构厂房风荷载的方法。
根据国家规范中的风荷载计算公式，我们可以计算出30米跨度门式钢结构厂房在不同方向上的风荷载。
这种方法的优点是简单、易于理解和应用，但是可能存在一定的安全系数较大的问题。
方法二：CFD模拟方法CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟方法是一种利用计算机模拟风场进行风荷载计算的方法。
通过建立门式钢结构厂房的三维模型，并对风场进行模拟，可以得到更加准确的风荷载数据。
这种方法的优点是能够考虑更多的因素，如周围建筑物的影响、湍流等，计算结果更加精确。
然而，使用CFD模拟方法需要专业的软件和工程师来进行模拟，成本相对较高。
计算比较为了比较两种方法的计算结果，我们选取了一座典型的30米跨度门式钢结构厂房进行计算。
根据规范方法，我们计算出厂房在不同方向上的风荷载，分别为1000N/m和1500N/m。
然后，我们使用CFD模拟方法对同样的厂房进行模拟，并得到风荷载分别为1200N/m和1600N/m。
通过对比计算结果可以看出，两种方法计算结果存在一定差异，CFD模拟方法得到的风荷载略高于规范方法。
结论在计算30米跨度门式钢结构厂房风荷载时，我们可以通过规范方法和CFD模拟方法进行计算，从而得到不同的结果。
规范方法简单易懂，适合一般的设计工作；而CFD模拟方法更加精确，能够考虑更多因素，适合对于复杂结构的分析。
设计师需要根据实际情况选择适当的计算方法，在保证安全的前提下尽可能减少结构的材料和成本。
参考文献1.国家建筑标准《钢结构设计规范》2.Luo, X., Kougioumtzoglou, I., Liu, X., Li, X., & Zhang, Y. (2015). Evaluating wind effects on long-span roof structures with wind tunnel measurements: a comparison of computational fluid dynamics and wind tunnel approaches. Wind and Structures, 20(3), 307-323.。
轻钢结构抗风极限承载力的三维精细分析
模 式 均 为 刚 架 的局 部 屈 曲模 式 ， 但 前 者 的 局 部 屈 曲 集 中 于 单 榀 刚 架 近 屋 脊 梁段 与 迎 风 梁 柱 节 点 的 多 个 区域 中 ， 而
后 者 则 发 生 于 多榀 刚 架 的 同 一 梁 柱 节 点 处 ， 呈 现 出 空 间化 的 分布 特征 ， 且 发 生 时 间早 于前 者 。 关键词 ： 轻钢 结 构 ；门 式 刚 架 ；风 作 用 ； 极 限承载力 ； 非 线 性 分 析 ；初 始 缺 陷
Ｇ Ｂ ５ ０ ０ ０ ９ －２ ０ １ ２ 《 建筑结构荷载规范》 、 Ｃ Ｅ Ｃ Ｓ １ ０ ２ ： ２ ０ ０ ２ （ （ 门式 刚架 轻 型 房 屋 钢 结 构 技 术 规 程》 计 算 风
荷 载时刚 架 的破 坏 模式 与相对 安全 性 。
Ｊ ａ ｎ ｇ等 采用 非 线 性 有 限元 方 法 研 究 了 轻 钢 门 式 刚架结 构 中 的不 利 刚架在 风荷 载作 用下 的极 限 承 载力 。Ｄ ｕ ｔ ｈ ｉ ｎ ｈ等采 用 风 洞试 验数 据 库 和不 同版
×ｌ Ａ Ｙｕ ｃｈ ａＯ ＣＨＥＮ Ｓｈ ｕｉ ｆ ｕ
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夏 俞超 ， 等： 轻钢 结 构 抗 风 极 限 承 载 力 的 三 维精 细 分析
明 ， 轻钢 门式 刚架 结 构 的极 限承 载 力 主要 由其局
部 或 整体 的稳 定性 控 制 ， 计算 中若 用 单 榀 刚 架 或单
大跨门式钢架轻钢结构脉动风荷载的模拟分析
大跨门式钢架轻钢结构脉动风荷载的模拟分析作者：李新武丽来源：《城市建设理论研究》2012年第31期摘要本文采用ANSYS有限元软件建立某大跨门式刚架模型，主要采用线性滤波法，忽略了结构的空间相关性，应用计算机仿真软件针对此模型进行水平脉动风荷载的数值模拟，并分析了大跨门式刚架风荷载的分布特点,总结出了：迎风面上各节点的风荷载随着高度的增加其值也在不断的增大，而背风面正好与其相反；背风面上各节点的风荷载值普遍比迎风面上个节点的风荷载值大。
随着高度的增大，两面各节点风荷载的比值在不断缩小，同时为后续的大跨门式刚架结构的风振时程分析提供了参考以及输入荷载。
关键词：大跨门式刚架；脉动风；脉动风荷载模拟；线性滤波法中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：1 引言大跨门式刚架结构是柔性体系，具有柔度大、阻尼小等特点，因而对风荷载十分敏感。
近年来，伴随着结构的跨度不断增大，体型日益复杂，风对门式刚架轻型钢结构产生的破坏越来越显著。
国内外很多专家学者对此作了一系列研究并取得了一定成果，但就脉动风荷载作用下轻型门式刚架响应的研究还比较少，门式刚架轻钢结构建筑的风振研究尚未成熟，没有形成完整的理论体系，我国现行规范也未作出任何明确的规定；由于建筑大空间的需要，门式刚架轻钢结构越建越高，跨度越来越大，导致其柔度越来越大，结构固有周期普遍达到0.5s以上，有的可达1s以上，风振的影响不断增大，风灾造成的破坏也越来越显著。
因此，对大跨门式刚架轻钢结构风荷载特点的研究具有非常重要的意义。
2 风荷载的特点在风的顺风时程曲线中，一般包含两种成分：一种是长周期部分，其值常在10分钟以上；另一种是短周期成分，常仅有几秒钟左右。
根据上述两种成份，实际上常把风分为平均风（即稳定风）和脉动风（常称为阵风脉动）来加以分析。
平均风是在给定的时间间隔内，把风对建筑物的作用力的速度、方向以及其他物理量都看成不随时间而改变的量，考虑到风的长周期大大地大于一般结构的自振周期，因而其作用性质相当于静力。
基于ANSYS的门式刚架轻钢结构模态分析
基于ANSYS的门式刚架轻钢结构模态分析刘宝良;王建国;张步爱【摘要】针对门式刚架轻钢结构，基于有限元理论，利用大型有限元分析程序对门式刚架轻钢结构进行三维实体建模和模态分析，得到了此结构的模态分析结果，结果表明当频率较小时，在X方向会产生较大结构破坏位移，而随着外部激振频率的增加，结构破坏位移主要产生在Y方向。
%According to the portal frame light steel structure, the study adopts the large finite element analyzing program to undertake the three- dimensional solid modeling and model analysis based on the finite element theory, concludes the model analysis result of the structure, and proves by the result that larger structural damaging displacement occurs at the direction of X when the frequency is little, and the structural damaging dis- placement will be transferred to the direction of Y when the external excitation frequency increases.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2012(038)021【总页数】3页(P32-34)【关键词】门式刚架;ANSYS;模态分析【作者】刘宝良;王建国;张步爱【作者单位】黑龙江科技学院理学院,黑龙江哈尔滨150027;黑龙江科技学院理学院,黑龙江哈尔滨150027;黑龙江科技学院理学院,黑龙江哈尔滨150027【正文语种】中文【中图分类】TU3930 引言轻钢结构门式刚架采用轻型材料，自重轻，基础造价低，钢材耗量小，主要钢结构件工厂化，施工速度快，对环境污染少，对于大跨度结构，以上优点尤其突出。
大跨度门式刚架结构设计分析
大跨度门式刚架结构设计分析【摘要】当前在房屋建筑中广泛利用大跨度门式刚架结构，而大跨度门式刚架结构设计工作直接关系到整体工程质量，因此需要深入研究大跨度门式刚架结构设计工作。
本文主要分析了大跨度门式刚架结构设计工作，从而对于实际工作起到参考作用。
关键词：大跨度；门式刚架结构；结构设计我国不断提高工业发展速度，当前工业发展过程中致力于提高规模化和集约化水平，逐渐扩大了工业企业的建设规模，而在厂房建设过程中广泛利用轻型门式钢架结构，可以发挥出经济性和环保性等优势。
利用大跨度门式刚架结构的过程中，需要加固处理现有的钢结构，通过发挥出大跨度门式刚架结构的优势，使厂房荷载能力因此提高，保障厂房建设质量。
一、概述门式刚架近些年很多厂房开始改造整体结构，并且通过利用先进的生产工艺，提高了大跨度门式刚架结构的使用率，有利于提高整体钢结构的稳固性。
对比传统的结构，利用大跨度门式刚架结构之后显著提高了厂房荷载能力。
大跨度门式刚架结构具有经济性优势，对比钢混结构，利用高品质的材料，保证设计结果符合理论要求，有利于严格控制设计误差，还可以提高施工管理水平。
因为具有较大的跨度，因此在相同荷载的背景下，对比普通钢架结构，大跨度门式刚架结构不会产生较大的剪力变形，而且具有较大的间距。
在跨梁布置过程中，和常规钢结构对比具有较大的差异性。
例如在布置中小跨梁的时候，同时连接两端和中间。
在布置大跨度刚架的时候，如果利用上述连接方式，不利于保障整体结构的强度和牢固性，而且会增加钢材使用量。
大跨度门式刚架结构通过扩大两端支座面积和跨中截面面积，逐渐增加弯度变化截面之后，可以降低钢材使用量，因此降低整体工程的投入量【1】。
二、大跨度门式刚架结构设计内容和方法（一）主体设计1.刚架高度：大跨度门式刚架结构的高度通常控制在4.5~9m范围内，设计单位也可以结合具体的工作要求合理增加刚架高度。
而设计的间距通常是6m，也可以结合实际荷载合理增加间距，但是始终控制间距在12m范围内。
大跨度门式刚架设计过程若干问题的讨论
大跨度门式刚架设计过程若干问题的讨论摘要：通过实例，阐述和分析轻型门式刚架结构设计过程中需要注意的环节。
关键词：多跨刚架刚架风荷载设计摇摆柱钢材材质工程投资引言：本工程为新疆独山子某xxx产品库房，长150米，宽63米，檐口高6.9米。
丙类建筑，耐火等级二级，火灾危险性分类为丙类。
抗震设防烈度为8度，设计基本加速度值0.20g(第二组)。
建筑结构安全等级为二级。
设计使用年限50年。
围护结构使用年限为15年。
屋面防水等级为2级。
场地的自然条件：1.基本雪压值0.55KN/㎡；2.基本风压值0.60KN/㎡；3.地基土标准冻深 1.4m4.地基承载力特征值为350KPa.主体为门式刚架，围护结构为单层压型钢板。
采用了PK·PM系列结构计算软件(2006-6新规范版本)进行计算分析。
正文：本工程设计时曾采用了两种计算模型，经比较分析后，选用了较为合理的模型。
1.计算参数的选取：1.1屋面恒荷载标准值：0.3kN/m2；1.2屋面活荷载标准值：0.55kN/m2；（注：活荷载取值见《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS 102:2002》第3.2.2条。
应当注意，当受荷水平投影面积大于60㎡的刚架，可取0.3kN/m2。
这里考虑到雪荷载的取值为0.55kN/m2，两者取大值进行计算。
）1.3风荷载取值：根据《全国民用建筑工程设计技术措施—结构》第18.1.6条，即“跨高比l/h小于等于4的门式刚架应按《建筑结构荷载规范》GB50009-20001计算风荷载标准值W k及风荷载体型系数μs，不考虑风振系数βj，但当跨高比l/h大于4的门式刚架及房屋所有围护结构的风荷载标准值W K宜按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS 102：2002取用。
”1.3.1 中间区：根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS 102：2002附录A表A.0.2-1所示体型系数如下：柱：墙面上的风荷载近似按水平向均布荷载q1、q2计，μz按柱顶标高取用，柱顶高6.9m，μz=1.0，μs迎风面0.25，背风面-0.55。
某大跨度门式刚架轻型钢结构仓库设计分析
某大跨度门式刚架轻型钢结构仓库设计分析摘要：详细地介绍了某大跨度门式刚架轻型钢结构仓库的结构设计过程，为大跨度门式刚架结构的设计及应用提供借鉴。
同时针对大跨度门式刚架结构的设计特点，提出了一些建议。
结构分析采用3D3S空间钢结构系统软件，设计方法可供同类工程参考。
关键词：门式刚架，轻型钢结构，大跨度Abstract: introduced in detail the one big span the door frame of light steel structure of the warehouse process of structural design, for big span door frame structure design and application for reference. At the same time for big span the door frame structure of the design characteristics, and put forward some Suggestions. The structure analysis using 3 D3S space steel structure system software, design method for similar projects.Key words: the door frame, light steel structure, the large span1 工程概况某皮革仓库，建筑全长99m，采用单层门式刚架结构，固轴的刚架由AB和BC两跨构成，AB跨度为51m，BC跨度为28m，其余轴的刚架只有AB单跨，跨度为5lm。
结构共18榀刚架，间距为4.5m或6m，刚架AB跨柱顶高9.8m，BC跨柱顶高6.3m，屋面坡度为l／20。
2 结构布置厂房墙面和屋面围护材料采用轻型彩色压型钢板复合板。
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大跨门式钢架轻钢结构脉动风荷载的模拟分析摘要
本文采用ansys有限元软件建立某大跨门式刚架模型，主要采用线性滤波法，忽略了结构的空间相关性，应用计算机仿真软件针对此模型进行水平脉动风荷载的数值模拟，并分析了大跨门式刚架风荷载的分布特点,总结出了：迎风面上各节点的风荷载随着高度的增加其值也在不断的增大，而背风面正好与其相反；背风面上各节点的风荷载值普遍比迎风面上个节点的风荷载值大。
随着高度的增大，两面各节点风荷载的比值在不断缩小，同时为后续的大跨门式刚架结构的风振时程分析提供了参考以及输入荷载。
关键词：大跨门式刚架；脉动风；脉动风荷载模拟；线性滤波法
中图分类号：tu74 文献标识码：a 文章编号：
1 引言
大跨门式刚架结构是柔性体系，具有柔度大、阻尼小等特点，因而对风荷载十分敏感。
近年来，伴随着结构的跨度不断增大，体型日益复杂，风对门式刚架轻型钢结构产生的破坏越来越显著。
国内外很多专家学者对此作了一系列研究并取得了一定成果，但就脉动风荷载作用下轻型门式刚架响应的研究还比较少，门式刚架轻钢结构建筑的风振研究尚未成熟，没有形成完整的理论体系，我国现行规范也未作出任何明确的规定；由于建筑大空间的需要，门式刚架轻钢结构越建越高，跨度越来越大，导致其柔度越来越大，结构
固有周期普遍达到0.5s以上，有的可达1s以上，风振的影响不断增大，风灾造成的破坏也越来越显著。
因此，对大跨门式刚架轻钢结构风荷载特点的研究具有非常重要的意义。
2 风荷载的特点
在风的顺风时程曲线中，一般包含两种成分：一种是长周期部分，其值常在10分钟以上；另一种是短周期成分，常仅有几秒钟左右。
根据上述两种成份，实际上常把风分为平均风（即稳定风）和脉动风（常称为阵风脉动）来加以分析。
平均风是在给定的时间间隔内，把风对建筑物的作用力的速度、方向以及其他物理量都看成不随时间而改变的量，考虑到风的长周期大大地大于一般结构的自振周期，因而其作用性质相当于静力。
脉动风是由于风的不规则性引起的，他的强度是随时间按随机规律变化的。
由于它周期较短，因而其作用性质是动力的，引起结构的振动[1]。
作用于结构上任意高度处的风速可以表示为平均风速和脉动风速之和。
风的模拟主要是针对脉动风而言。
时域内脉动风荷载的分析，就是用随机过程模拟的方法得到脉动风速时程或脉动风压时程,本文采用线性滤波法模拟风荷载。
3 风荷载的模拟
根据风的记录，脉动风可作为高斯过程及平稳随机过程来考虑
[2]。
3.1 线性滤波法（ar法）模拟风谱
现在在风工程界广泛承认的顺风向水平脉动风速谱为
davenport谱，也是我国规范所采用的风速谱。
它假设紊流尺度沿高度不变，谱密度函数为
，（1）（2）
式中，k为地面粗糙度系数；为10m高度处平均风速。
为脉动风频率，x为湍流积分尺度系数。
研究表明，低阶的ar模型即可较好地模拟随机过程。
采用p阶自回归模型，即过程当前时刻的值与其前p个时刻的值线性相关，因为只考虑高度方向的相关性，所以可表示为：
式中，是空间第点坐标，；为ar模型阶数；是模拟风速时程的时间步长；为ar模型自回归系数矩阵为阶方阵，，为独立随机过程向量。
以上所述是脉动风速谱的模拟,由于研究和实际工程计算需要,很多情况下要用到脉动风压谱,于是根据脉动风压功率谱的定义和wiener-khintchine定理,可以得到脉动风压的功率谱为: （3）（4）
式中：为脉动风压的功率谱函数；为空气质量密度；为 z高度处的风速，；为z高度处的风压值，其他符号意义同公式（1）。
这样通过脉动风压功率谱就可以模拟z高度处的脉动风压时程曲线，则通过下式就可以得到脉动风荷载时程。
式中：、、分别为处的风荷载体型系数、迎风面积和脉动风压[3]。
3.2 算例模拟
在ansys环境中建立跨度为30米，高度为9米的某大跨门式刚
架结构模型（如图1），根据上述理论，忽略结构的空间相关性，采用matlab软件模拟沈阳地区大跨门式刚架厂房结构风荷载，平均风速25m/s，地面粗糙度系数为0.00215，大气密度ρ=1/820，取n=2048，时间为200s，时间间隔为1s.对模型上各个节点的风荷载时程进行模拟，得到各节点风荷载时程，如图1~2。
图1迎风柱风荷载时程曲线图图2 背风柱风荷载时程曲线图图1和图2是结构门式刚架结构迎风柱和背风柱上的节点的风荷载时程图，图中表明：两侧刚架柱最大正风荷载值都出现在第50s 左右，而负风荷载最大值则出现在18s左右；在第60s以后风荷载变化频率较大，波动剧烈。
这是因为：结构在风荷载作用的初期，受风荷载的影响较小，随着风荷载对结构的持续作用，其受风荷载的影响逐渐加大。
但由于脉动风荷载大小的不确定性，结构受到的影响也出现波动变化，时间越长变化越剧烈。
4 结论
本文采用时间序列分析中广泛应用的ar模型，忽略了结构的空间相关性，模拟某大跨门式钢架的水平脉动风速时程，进而模拟出了脉动风的风压时程和风荷载时程。
通过对各节点的风荷载的比较，可以得出：
1）处于迎风面上各节点的风荷载随着高度的增加其值也在不断的增大，而背风面正好与其相反；将迎风面上各节点与背风面相同高度处的各节点相比较，则背风面的风荷载要比迎风面的风荷载大，变化幅度也交前者大；
2）随着高度的增加，迎风面和背风面风荷载的比值也在逐渐缩小，即迎风面与背风面的荷载越接近
本文得到结构脉动风荷载时程将作为结构的输入荷载，即可对结构进行时域内的动力分析，为大跨门式刚架的风振时程分析提供了参考和输入荷载。
参考文献
[1] 张相庭.结构风压和风振计算[m].上海：同济大学出版社,1985.
[2] 王之宏.风荷载的模拟研究[j].建筑结构学报,1994,15（1）.
[3] 阎石,郑伟.简谐波叠加法模拟风谱[j].沈阳建筑大学学报,vol.21,no.1。