M形空间钢管桁架屋盖结构方案设计及有限元分析
结合有限元分析的大跨度钢桁架整体提升过程变形与应力监测施工工法
结合有限元分析的大跨度钢桁架整体提升过程变形与应力监测施工工法大跨度钢桁架整体提升过程是指将钢桁架整体吊装至设计位置的施工过程。
由于钢桁架的自重较大，整体提升过程中会出现变形和应力集中的问题，因此需要进行监测并采取合适的施工工法。
首先，在进行整体提升前，需要进行预应力张拉，以减小整体提升过程中的变形。
预应力张拉可以利用钢缆或钢束进行，在整体提升前将钢缆或钢束安装在钢桁架上，然后张拉预应力，以减小整体提升过程中的变形。
在整体提升过程中，需要进行变形与应力的监测。
常用的监测方法有测量位移、测量应变和测量应力。
测量位移可以采用传感器测量桁架上的一些特定点的位移情况，可以得到整体的位移变形情况。
测量应变可以采用光纤传感器或导线传感器测量桁架上的应变情况，可以得到整体的应变变形情况。
测量应力可以采用应力应变片、拉力计或压力计进行测量，可以得到整体的应力集中情况。
根据监测结果，可以根据变形和应力的情况调整整体提升的工艺。
若发现变形较大，可以减小提升速度或采取局部支撑的方式，以减小变形。
若发现应力过大，可以加强结构的支撑，或局部加固，以减小应力集中，确保结构的安全性。
在整体提升过程中，还需要注意施工工法。
可以采取采用临时支撑的方法，在整体提升过程中为钢桁架提供临时支撑，以减小整体变形。
临时支撑可以采用钢管或钢梁进行，需要根据钢桁架的结构特点和提升过程的实际情况进行合理布置。
同时，还需要控制提升速度，避免过快引起结构的变形和应力集中。
总而言之，大跨度钢桁架整体提升过程中的变形与应力监测施工工法需要结合有限元分析进行，通过预应力张拉、测量位移、测量应变和测量应力等方法进行变形与应力的监测，并根据监测结果调整提升工艺，同时采取临时支撑和控制提升速度等施工工法，以减小整体变形和应力集中，确保钢桁架整体提升的施工安全和结构稳定。
钢管桁架工程设计方案
钢管桁架工程设计方案一、工程概况钢管桁架工程是一种常见的建筑结构工程，主要用于支撑建筑物的梁柱结构。
其特点是材料轻巧、强度高、耐久性好、施工方便等优点，因此在各种建筑工程中得到了广泛的应用。
本文将针对一座建筑物的钢管桁架工程进行设计方案的阐述。
二、设计基础1. 建筑物设计荷载本工程设计的建筑物是一座五层建筑，计划总面积10000平方米，主要用于商业和办公。
根据规范的要求，结构设计应满足活载、风载、地震作用等多种荷载。
2. 建筑物地基状况建筑物地基土壤为砂质土，在地基处理方面需要采取加固措施。
3. 法规要求根据建筑法规的要求，本工程设计应符合国家建筑设计规范和相关标准的要求。
三、桁架结构设计1. 结构布置本工程的桁架结构主要采用钢管进行组装，以保证整个框架结构的承重能力，同时保证建筑物的整体稳定性。
桁架结构的布局应符合建筑物设计的总体布局，确保各个构件的布置合理、紧凑。
2. 钢管材料选择钢管桁架结构采用焊接或螺栓连接的方式进行组装。
钢管的选材应符合国家标准规范的要求，应具有良好的耐腐蚀性、强度高、可焊性好等特性。
3. 结构体系桁架结构采用空心圆管、方管或矩形管等形式进行构造，结构体系采用桁架支撑和刚性框架等形式，以确保结构的整体稳定性。
4. 桁架节点设计桁架节点的设计应尽量降低节点的应力集中，采用合理的节点连接方式，确保节点的刚度和稳定性。
四、荷载分析1. 活载建筑物的活载主要来自人员、家具等，根据相关规范计算得出活载值。
2. 风载根据地区的风载标准值，结合建筑物的高度和地理位置等因素进行风载计算。
3. 地震作用根据地震区域的地震烈度和设计地震加速度等参数，进行地震作用计算。
五、桁架结构分析1. 梁柱设计根据荷载分析结果，进行桁架结构的梁柱设计，计算梁柱受力情况，确定梁柱的截面尺寸和材料规格。
2. 桁架节点设计对桁架结构的节点进行受力分析和设计，确保节点的连接方式和构造能够满足结构的稳定性和承载能力。
空间管桁架屋盖结构抗震性能分析
２ 有 限元计算 模 型
本课题采用 软件 Ｓ Ｐ ０ ０进行有限元建模 ， Ａ ２０ 三角桁 架各杆件
之 间采用 固结方 式连接 ， 各榀三角桁 架之 间的横向连接杆 件采 用 铰接 的方式 连接。桁架 梁 的上弦杆 及上 弦腹杆 承受 弯矩及 平 面
外扭矩 ， 因此采用 固结 的方式 连接 ， 下弦杆 及立 面杆件 采 取两 端
１ ４ １ ２
铰接 的方 式连 接 。三 角桁 架 和桁 架 梁 的连接 方 式按 固结处 理 。 钢管桁架 屋盖整体结 构有限元计算模型如 图 １所示 。
差
８
模 态 阶 数
３ 动力 特性分 析
３ １ 基 本理 论 ．
１ 工 程 实例概 况
其特征行列式为： ［ ］ ［ ｌ ０ ｌＫ ］ ＝ 。求解上式 ， 可得到结构
最 和结 构 的各 阶振 该钢管桁架 屋盖 ， 上部 结构 为六 榀跨 度 ３ ． 主跨 ２ 的各 阶自振频率 ∞（ 小 的称之 为结构 的基 频 ） ９ ２ ｍ（ ８ｍ） 型｛ ｝ 。由于振型向量 ｛ ｝ 为齐 次方 程组 的解 ， 故其 只是各振 型 倒三角 圆钢管桁架 （ 以下简称“ 三角桁架 ” ， ） 每榀分为 １ ， ４节 每节 阶 长 ２ ８ｎ、 ２ｍ、 ２ｍ， ． ｌ宽 高 两悬挑端水平投影 长 ４ ０ 下部结构 元素之间 的比值关 系 。这种 比值 表示结 构按 第 ｉ 固有频率 ．４ｍ； 振动时各坐标上 的振 幅比， 也就是表 示出 了系统 的振 动形 态。在 为两榀 主跨 长 ４ 宽 １５ ｌ高 ４ ２ｍ 的钢桁 架梁 （ ２ ｍ、 ． ６Ｉ、 ． ｌ 以下简称 使 Ｍ］ ＝１ 即将 振 型 向量 ， “ 架梁” ， 桁 ） 见图 １ 。桁 架梁杆件采用空心 方钢管 ， 承在 由 ５根 结构模态分析和谱 分析 中， ｛ ［ ｛ ｝ 支 ｛ ｝ 于质量矩 阵归一化 ， 而使 ｛ ｝ 关 从 中各元素成为 确定值 ， 使 柱子两侧 的钢板 焊接 牛腿 上 。三角桁架 和桁 架梁 的上 、 弦杆相 下 问题便于处理 。 贯连接 ， 均采用 Ｑ ４ 一 ３ ５Ｂ无缝钢管 。
大跨度钢结构空间管桁架设计要点分析
大跨度钢结构空间管桁架设计要点分析大跨度钢结构空间管桁架设计是一项复杂的工程，需要考虑多种因素，保证结构的安全性和稳定性。
以下是该设计的要点分析。
1. 跨度和荷载：首先确定钢结构的跨度和荷载。
跨度决定了桁架的尺寸和材料的选择，荷载决定了桁架的强度和稳定性。
需要进行详细的荷载计算，包括静态荷载、动态荷载、风荷载等。
并且要考虑未来可能的荷载增长，确保结构的承载能力。
2. 材料选择：大跨度钢结构空间管桁架常用的材料有钢管和钢板。
在选择材料时，要考虑到材料的强度、稳定性、耐久性和成本等因素。
还要考虑到施工的可行性和工程的可持续性。
3. 结构布局：根据建筑物的功能和设计要求，确定空间管桁架的结构布局。
要考虑到形式的美观性和建筑物的使用需求。
布局还要考虑到结构的稳定性和刚度，以及结构与其他建筑部件的连接方式。
4. 连接方式：连接是整个空间管桁架设计的重要环节。
要选择合适的连接方式，确保连接的稳定性和可靠性。
常用的连接方式有节点连接、焊接、螺栓连接等。
需要进行详细的强度计算和构造设计，确保连接能够承受荷载和变形效应。
5. 构件设计：每个构件的设计都要满足其所承受的荷载要求。
要对构件进行详细的强度计算，包括弯矩、剪力、轴力等。
还要考虑构件的刚度和变形情况，确保结构的整体稳定性。
6. 施工工艺：大跨度钢结构空间管桁架的施工工艺要考虑到结构的复杂性和施工的可行性。
要制定详细的施工方案，包括搭设脚手架、安装吊装设备等。
施工过程中要注意安全措施，保证施工人员的安全。
7. 监测和维护：一旦钢结构空间管桁架建成，就需要对其进行监测和维护。
要定期对结构进行检查，确保结构的稳定性和安全性。
如果发现结构有损坏或变形的情况，要及时修复和加固。
大跨度钢结构空间管桁架设计是一个复杂而重要的工程。
设计过程中需要考虑多种因素，包括跨度、荷载、材料选择、结构布局、连接方式、构件设计、施工工艺、监测和维护等。
只有综合考虑这些要点，才能设计出安全可靠的大跨度钢结构空间管桁架。
钢框架—空间管桁架结构的整体分析与等效设计方法
钢框架—空间管桁架结构的整体分析与等效设计方法管桁架结构以简洁、美观的特点已经广泛应用于大跨度空间结构,对于空间管桁架的结构计算也已经趋于成熟,但由于设计分工,管桁架结构的计算设计与下部主体结构的设计往往分别由钢结构公司与设计院分别进行,并且空间管桁架结构与下部钢框架结构的整体计算在目前设计院常用的结构计算软件(如PKPM、YJK等)是无法实现的,目前设计院的主流做法是将管桁架的部分等效成集中荷载的形式施加到柱顶。
这种做法仅等效了荷载,并未考虑管桁架结构对结构整体的刚度贡献。
本文以泰安市旅游集散中心为工程背景,研究空间管桁架屋面的等效刚度方法,利用MIDAS有限元分析软件进行结构分析计算,主要工作内容如下:1.通过整体模型与施工图模型(等效荷载)的比对分析证明传统设计院处理管桁架屋面的做法存在着结构隐患与资源浪费,阐述协同工作理论的重要性。
2.对倒三角形式的管桁架进行截面分析,提出单跨管桁架等效刚度公式的基本假定,根据材料力学知识推导出单跨管桁架等效刚度公式,并根据工程实例通过大量算例分析例如跨度、高跨比、宽高比,腹杆截面尺寸等管桁架影响因素,并确定其取值范围。
3.将单跨管桁架等效刚度公式推广到整体模型,根据公式建立等效刚度模型与整体模型,利用MIDAS有限元分析软件在风荷载工况、地震工况下的周期、侧向刚度、位移等计算参数,进行弹性时程分析补充计算,验证管桁架等效刚度公式的适用性。
验证在风荷载工况下等效模型的位移计算结果具有参考价值;地震工况下等效模型的内力计算结果可以作为设计值,位移计算结果应根据结构限值相应放宽。
通过本文的研究结果可以给进行框架主体结构设计的设计从业人员一个较为可靠的管桁架等效设计方法,合理考虑管桁架结构在整体结构中的刚度贡献,对所得等效模型有较为准确的定性以及定量分析,具有较高的参考、使用和推广价值。
由于钢结构空间管桁架的结构形式较多,本文受篇幅所限,仅对倒三角形式的三管空间管桁架进行研究,其他形式的管桁架需要根据等效刚度理论的分析思路进行进一步分析。
M形空间钢管桁架屋盖结构方案设计及有限元分析
M形空间钢管桁架屋盖结构方案设计及有限元分析摘要: 本文对M形空间钢桁架屋盖进行了结构方案设计，分别在结构①面和②面设计采光面，提出了两种结构方案。
采用Midas/Gen软件对两种结构方案进行了有限元分析，得出了主要受力构件的应力-应变状态，计算结果显示两种方案应力比均满足要求，截面较小的方案通过起拱挠度满足要求。
随后本文对支座连接进行了初步设计，为同类工程改造设计提供了参考。
关键词: 多折屋盖，方案设计，有限元分析，支座连接Abstract: In this paper, the structural design of the M-shaped space steel truss roof is presented. Two structural schemes are proposed respectively on front and back lighting surface. By using finite element analysis software Midas/Gen, the paper figures out the main stress component s’ stress-strain state of two schemes. The calculation results show that the two schemes can satisfy the requirement of stress ratio, and the smaller section meets the requirements through arching deflections. After that, this paper gives a preliminary design of the support connection, which provides a reference for the design of similar projects.Keywords: multiple-folding roof, conceptual design, finite element analysis，joints of support0项目概述随着经济的发展和科学技术的不断进步，人们对结构的空间和跨度的要求越来越高。
大跨度钢结构空间管桁架设计要点分析
大跨度钢结构空间管桁架设计要点分析随着人们对于高层建筑和大型建筑的需求增加，大跨度钢结构空间管桁架在建筑领域中得到了广泛的应用。
大跨度钢结构空间管桁架是指由多个空间管段和节点构成的支撑结构体系，它具有结构性能好、刚度大、耐久性强等特点，能够满足大跨度建筑对于结构强度和空间要求的需求。
因此，本文将从设计要点的角度对于大跨度钢结构空间管桁架的设计进行分析。
1. 钢管选择钢管是大跨度钢结构空间管桁架的重要组成部分，根据不同的设计需求需要选择合适的钢管。
一般情况下，直径40米以上的大跨度建筑使用的钢管直径一般在φ300mm以上，强度一定要满足设计要求，抗震性和耐腐蚀性也要符合国家标准。
同时，在钢管的选材中还要考虑其他因素，如钢管焊接质量难以保证，在焊接钢管时要注意它的钢质性能是否发生变化等。
2. 节点的设计大跨度钢结构空间管桁架中节点的设计是制约其结构安全性的关键因素。
节点的设计方案应该满足结构的刚性和稳定性要求，同时要设计节点的与外界的连接方式，仔细考虑钢管之间的作用力平衡问题。
3. 杆件的布局在对于大跨度钢结构空间管桁架的设计中，杆件的布局对于其结构的整体性和空间性有着非常重要的影响。
桁架杆件的设计应该满足结构平衡和斜杆平衡的要求，避免在地震或风力的作用下发生结构损坏。
4. 建模与模拟钢结构空间管桁架的复杂性使其设计过程中常常会出现复杂杆系、非线性几何条件等问题。
因此，在设计过程中，建立准确的桁架模型是非常重要的。
使用有限元方法进行桁架建模，能够得到结构变形、位移等重要参数，提高了结构设计方案的准确度和合理性。
5. 防火、防腐在大跨度钢结构空间管桁架的设计过程中，防火和防腐是不可忽略的问题。
对于钢结构空间管桁架的所有节点和框架必须进行防腐处理，以增加其抗腐蚀能力和使用寿命。
同时，严格防火设计措施能够保障其结构的安全性和可靠性。
综上所述，大跨度钢结构空间管桁架的设计是一项复杂而重要的工作，需要考虑诸多结构要素。
基于ABAQUS的空间桁架有限元分析
电子澜置基于ABAQUS的空间桁架有限元分析作者/李嘉恒，平顶山一中摘要：空间桁架结构是一种格构化的梁式结构，广泛应用在各行各业，其刚度以及固有频率对于桁架结构设计及优化具有重要意义。
本文 基于ABAQUS这一有限元分析软件，针对特定的空间桁架结构进行了三维模型的建立、刚度分析以及模态分析，得到空间桁架在外部载荷 作用下的应变和位移以及前五阶固有频率，对于后续优化改进以及类似桁架结构的分析具有重要指导意义。
关键词：桁架；有限元；ABAQUS;刚度分析；模态分析引言随着社会的发展和科技的进步，人们需要进行越来越复 杂的科学研究。
在进行实际工程设计工作时，有限元分析是 进行理论计算分析的极为重要的方法之_[1]。
在三国时期，刘徽用“割圆术”计算圆周率，用圆内接正多边形的周长来 逼近圆周长，内切多边形的边数越多所求得的T T值越精确。
这其实就是一种有限元分析的思想，“化整为0,积0为整”是对有限元方法形象而不失准确的概括。
有限元分析主要应 用在结构分析、热分析、电磁分析、流体分析、耦合场分析 等方面[2]。
从二十世纪六十年代中期以来，针对有限元分析，各国 科学家进行了大量的理论研究，得到了很多显著成果，还拓 展了有限元分析方法的应用领域；但是纯粹的理论研究成果 只有专门研究有限元的人才能够懂得及使用，使用门槛很 高；但在航空、土木工程、机械制造等等实际工程应用中又 大量的需要运用有限元分析方法，由此便开发出了许多通用 或专用的有限元分析软件，以降低普通工程师将有限元分析 方法应用到实际工程中的门槛P]。
常用大型通用有限元软件 有 ADINA、ABAQUS、ANSYS、MSC/Marc、MSC/Nastran 等，有限元分析软件的发展和普及大大提高了科学研究以及 工程设计的效率。
本文针对一种典型的桁架结构，利用有限元分析软件 ABAQUS进行有限元分析。
首先建立了空间桁架结构的有 限元模型，并进行了刚度分析以及模态分析，并得到了前五 阶固有频率。
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M形空间钢管桁架屋盖结构方案设计及有限元分析
发表时间：2017-12-26T14:22:58.477Z 来源：《防护工程》2017年第21期作者：陈露[导读] 本文对M形空间钢桁架屋盖进行了结构方案设计，分别在结构①面和②面设计采光面，提出了两种结构方案。
中衡设计集团股份有限公司苏州 215021 摘要: 本文对M形空间钢桁架屋盖进行了结构方案设计，分别在结构①面和②面设计采光面，提出了两种结构方案。
采用Midas/Gen软件对两种结构方案进行了有限元分析，得出了主要受力构件的应力-应变状态，计算结果显示两种方案应力比均满足要求，截面较小的方案通过起拱挠度满足要求。
随后本文对支座连接进行了初步设计，为同类工程改造设计提供了参考。
关键词: 多折屋盖，方案设计，有限元分析，支座连接Abstract: In this paper, the structural design of the M-shaped space steel truss roof is presented. Two structural schemes are proposed respectively on front and back lighting surface. By using finite element analysis software Midas/Gen, the paper figures out the main stress components’ stress-strain state of two schemes. The calculation results show that the two schemes can satisfy the requirement of stress ratio, and the smaller section meets the requirements through arching deflections. After that, this paper gives a preliminary design of the support connection, which provides a reference for the design of similar projects. Keywords: multiple-folding roof, conceptual design, finite element analysis，joints of support
0项目概述
随着经济的发展和科学技术的不断进步，人们对结构的空间和跨度的要求越来越高。
钢管桁架结构作为一种典型的空间结构体系，其自身截面特性良好，具有承载性能高、造型美观、外型简洁、流畅、节点形式简单、施工简单、节省材料等特点，因此在建筑结构，尤其是大跨度空间结构中得到了广泛的应用。
本文采用M形空间钢管桁架进行了屋盖结构方案设计，并采用Midas/Gen软件对其进行了有限元分析。
在某学校改扩建项目中，少年科学馆是其标志建筑，集学习、参观、展示、交流于一体的综合空间。
其中庭顶部设计一双坡多折钢屋盖，该部位作为室内空间向室外中庭的延续，使用了大片天窗幕墙，营造轻盈通透的感觉。
这就要求不能有多余的结构构件，普通的平面和空间钢桁架显然不能满足美观要求。
现拟充分利用现有的M形造型来设计异形空间钢桁架，力求做到建筑与结构完美结合，对结构方案进行比选和探讨。
建筑设计示意图及屋盖效果图如图1、图2所示，平面布置图如图3所示。
图4 屋盖立面图
方案二示意图如图7所示，其中②面为玻璃幕墙采光面，主要杆件尺寸见表2，方案二的总用钢量为21.8吨。
2主要结果分析
MIDAS/ Gen是一款建筑结构通用有限元分析和设计软件，适用于各类结构的分析与设计如：钢筋混凝土结构、钢结构、空间大跨结构、组合结构、网架及索缆结构等工业与民用建筑。
可进行静力、动力弹塑性分析、预应力分析、施工阶段分析、反应谱分析、非线性分析、时程分析及钢结构优化，可以导入PKPM、AutoCAD、SAP2000等文件，便于互相校核[2]。
因此本文采用Midas/Gen计算软件对两种屋盖方案进行计算。
经计算方案一的挠度和各组合工况最大应力比计算结果如图8、图9所示，最大变形约55mm，其中DZ方向为48mm，对应的荷载工况为1.0恒+1.0雪，满足限值要求（L/400）；最大应力比为0.877，满足要求（应力比限值取0.9）[3]。
图10 方案二挠度
图13 A处参考连接形式图14 B处参考连接形式
其中B处弦杆连接采用铰接连接（或沿桁架跨度DX方向可采用长圆孔释放，仅约束DY和DZ方向）[5]。
连接形式如图14所示，桁架弦杆需要搁置在主体结构混凝土梁或柱的牛腿上。
两处的支座设计保证连接部位可以有效的传递应力，使上部屋盖具有可靠的强度和稳定性，并且施工合理方便。
6 结论
(1)结构的屋盖设计应根据建筑要求，考虑结构安全、施工合理及经济性，从而合理选择屋盖的结构形式。
利用MIDAS软件对屋盖进行对比分析，分析结果显示方案一的最大应力比为0.877，方案二的最大应力比为0.825，两个结构方案均能满足承载力和变形要求，其中结构方案二杆件尺寸更小，玻璃幕墙采光面的通透性也更好，用钢量更省，也更为接近效果图，因此方案二是更优设计。
(2)论文随后讨论了屋面结构与主体结构的连接支座设计，保证了上部屋盖的强度和稳定性，为同类工程改造设计提供了参考。
参考文献:
[1]建筑结构荷载规范:GB 50009-2012[S].北京:中国建筑工业出版社, 2012.
[2]宋晓红,徐瑞,景辉,李令. 乌兰察布城展馆结构设计[J]. 建筑结构,2015,45(03):87-92.
[3]钢结构设计规范:GB 50017-2003[S].北京：中国计划出版社,2003.
[4]罗尧治,娄荣,刘海峰. 空间钢结构临时支撑布置的应变能跟踪算法[J]. 浙江大学学报(工学版),2010,44(12):2332-2336.
[5]苗吉军,侯晓燕,王典武,刘延春,白小军. 大跨度异形钢桁架安装过程试验研究及实时监控[J]. 建筑结构,2013,43(06):22-27.。