东北林业大学体育馆结构设计分析.doc

东北林业大学体育馆结构设计分析期末测试论文东北林业大学体育馆结构设计分析学生姓名：专业班级：2013级土木工程（卓越工程师）二班指导教师：学 院：土木工程学院2016年5月东北林业大学体育馆结构设计分析摘要大跨空间结构是最近三十多年来发展最快的结构形式。世界各国为大跨度空间结构的发展投入了大量的研究经费。东北林业大学体育馆建成于 2010年8月，属于大跨空间结构中的网壳结构。在此，将对东北林业大学体育馆进行简要分析。关键词网壳结构，体育馆，结构设计分析目录摘要1 前言11.1 建筑概况11.2 结构类型及特点11.2.1 结构类型11.2.2 网壳结构特点22 荷载分析32.1 荷载种类32.1.1 风荷载32.1.2 雪荷载32.1.3 结构自重32.2 荷载计算方法32.3 稳定性分析42.4 抗震分析43 结构的构造措施53.1 体育馆的杆件及节点53.2 防火措施53.3 防腐措施5结论7参考文献8致谢9Error! No text of specified style in document. Error! No text of specified style in document.1 前言东北林业大学体育馆建成于 2010年8月, 建筑面积37000平方米。内部设有游泳、健身、乒乓球、篮排球、轮滑等功能馆河容纳5000人观看比赛。该体育馆是目前黑龙江省面积最大、功能最多的综合性体育场馆。此场地是学校举行重大多人会议、篮球比赛等的场所。1.1 建筑概况东北林业大学体育馆位于哈尔滨市香坊区和兴路26号，东北林业大学院内，隶属于东北林业大学。建成于2010年8月,该场馆由哈尔滨工业大学建筑设计研究院设计，建筑高度30.6米。 图1.1 东北林业大学体育馆1.2 结构类型及特点1.2.1 结构类型东北林业大学体育馆属于网壳结构。网壳结构兼具杆系和壳体的性质。主要特性是杆件比较单一,受力比较合理,其传力特点主要是通过壳内两个方向的拉力、压力或剪力逐点传力;结构的刚度大、跨越能力大。东北林业大学体育馆网壳按曲线外形的分类方法可视为非典型曲面，是由双曲扁网壳和球面网壳的切割和组成形成。按自身构造分为双层网壳。网壳采用周边支承的方式，它的优点在于支承点多，传力直接，受力均匀。 图1.2 东北林业大学体育馆网壳1.2.2 网壳结构特点网壳结构是将杆件沿着某个曲面有规律的布置而组成的空间结构体系，其受力特点与薄壳结构类似，大部分荷载是由网壳杆件的轴向力承受。它具有自重轻、结构刚度好等一系列特点，不同曲面的网壳可提供各种新颖的建筑造型。网壳结构的受力合理，可以跨越较大的跨度，节约钢材。具有优美的建筑造型，建筑平面上适应多种形状，建筑外型上可以形成多种曲面，如球面，双向抛物面等，还可以通过曲面切割和组合得到建筑其它形体。施工方便也是网壳的优点之一，可以用较小的构件组成很大的空间，构件在工厂预制，实现工业化生产，安装简单快速，不需大型设备。 图1.3 东北林业大学体育馆俯视图2 荷载分析网壳结构主要应对使用阶段的外荷载（包括竖向和水平向）进行内力和位移计算，对单层网壳通常要进行稳定性计算，并据此进行杆件设计。此外，对地震、温度变化、支座沉降及施工安装荷载，应根据具体情况进行内力、位移计算。体育馆设计过程中应考虑风荷载、雪荷载、地震荷载、结构自重、场内重力荷载（设备自重，观众的静载）等。同时还要考虑作为学校场馆东北林业大学体育馆经常会被作为讲座、全校大会、文艺演出、演唱会等各种情况下的综合荷载。2.1 荷载种类2.1.1 风荷载东北林业大学体育馆地处哈尔滨市，基本风速重现期为50年，建筑设计年限取50年，基本风压为0.55KN/m2，风压值取基本风压1.1倍，地面粗糙程度为C类（密集建筑群的城市市区）。风荷载计算中，顺风向结构风效应与横风向结构风效应均需计算，对于大跨度体育馆结构分析 , 顺风向风振较横风向风振更具有破坏性。因此，在东北林业大学体育馆，顺风向结构风效应占主要地位。风荷载的影响因素包括风压高度变化系数，风荷载体型系数，风阵系数，以及基本风压。由于脉动风周期较短，与一些工程自振周期接近，将是结构产生动力效应，需进行风洞试验，试验结果按随机振动理论计算确定，不宜采用与高层建筑相同的风阵计算方法。这是因为屋盖结构的脉动风压除了和风速脉动有关外，还和流动分离、再附、漩涡脱落等复杂流动现象有关。2.1.2 雪荷载东北林业大学体育馆地处哈尔滨市，地处东北地区，雪荷载很大，对于雪荷载所带来的后果必须加以考虑。体育馆属于大跨屋面，对堆雪分布情况比较敏感，并且由于屋面积雪在风作用下的漂移效应，屋面积雪会呈现中部大边缘小的情况。哈尔滨基本雪压为0.50kN/m2，2.1.3 结构自重根据新规范中永久作用的范围，体育馆的永久作用包括结构构件、围护结构、面层及装饰、固定设备（主要包括：采暖、空调及给排水设备，电气设备，管道、电缆及支架等）、长期储物的自重、土压力、水压力，以及其他需要按永久作用考虑的荷载。计算结构总自重时，应根据各构件的材料重度不同将结构人为地划分为多种容易计算的基本构件，先计算基本构件的重力，然后叠加得到结构的总重。2.2 荷载计算方法网壳结构计算方法主要包括连续化的方法及离散化的方法。连续化的方法主要指将网壳比拟成实体薄壳的拟壳分析法，属于近似方法；离散化的方法是各类有限元法，属于精确的计算方法。空间杆系有限元法是以网壳结构的各个杆件作为基本单元，以节点位移作为基本未知量，先对杆件单元进行分析建立单元杆件内力与位移的关系，然后再对结构进行整体分析。根据各节点的变形协调条件和静力平衡条件建立结构上的节点荷载和节点位移之间的关系，形成结构的总刚度矩阵和总刚度方程。解出各节点位移值后，再由单元杆件内力和位移之间的关系求出杆件内力。 网壳结构的外荷载可按静力等效的原则将节点所辖区域内的荷载集中作用在该节点上。分析双层网壳时可假定节点为铰接，杆件只承受轴向力；分析单层网壳时假定节点为刚接，杆件除承受轴向力外，还承受弯矩、剪力等。当杆件上作用有局部荷载时，必须另行考虑局部弯曲内力的影响。对于单个球面网壳、圆柱面网壳和双曲抛物面网壳的风载体型系数，可按建筑结构荷载规范（GB 50009 一2001 ) 取值；对于多个连接的球面网壳、圆柱面网壳和双曲抛物面网壳，以及各种复杂体形的网壳结构，应根据模型风洞试验确定风载体型系数。2.3 稳定性分析网壳的稳定性可按考虑几何非线性的有限元分析方法（荷载认一位移全过程分析）进行计算，分析中可假定材料保持为线弹性。用非线性理论分析网壳稳定性时，一般采用空间杆系非线性有限元法，关键是临界荷载的确定。单层网壳宜采用空间梁系有限元法进行计算。球面网壳的全过程分析可按满跨均布荷载进行，圆柱面网壳和椭圆抛物面网壳宜补充考虑半跨活荷载分布。进行网壳全过程分析时应考虑初始曲面形状的安装偏差影响；可采用结构的最低屈曲模态作为初始缺陷分布模态，其最大计算值可按网壳跨度的1 /300 取值。进行网壳结构全过程分析求得的第一个临界点处的荷载值，可作为该网壳的极限承载力。将极限承载力除以系数K 后，即为按网壳稳定性确定的容许承载力（标准值）。2.4 抗震分析在设防烈度为7 度的地区，网壳结构可不进行竖向抗震计算，但必须进行水平抗震计算。在设防烈度为8 度、9 度地区必须进行网壳结构水平与竖向抗震计算。哈尔滨抗震设防烈度为7度，可不进行竖向抗震计算。3 结构的构造措施3.1 体育馆的杆件及节点体育馆网壳杆件为圆钢管，圆钢管具有回转半径大，截面特性无方向性的特点，且截面封闭，有良好的防腐性能。 体育馆网壳杆件采用圆管，节点采用焊接空心球节点。焊接空心球的节点的优点是传力明确，构造简单，连接方便，适应性强。这种球节点适用于连接圆管，只要钢管切割面垂直于轴线，杆件就能在空心球体上自然对中。由于球体没有方向性，可与任意方向的杆件相连，当汇交杆件较多时，优点更为突出。焊接空心球受拉或受压承载力设计值需计算得出，满足要求。焊接空心球受拉或受压承载力取决于以下因素，空心球的外径，外径越大，承载力越小，与空心球相连的圆管外径，圆管外径越大，承载力越大，空心球壁厚，钢材抗拉强度设计值以及加肋承载力提高系数。网壳结构的支座节点设计应保证传力可靠连接简单，并符合计算假定。支座形式包括固定铰支座、弹性支座、刚性支座及滚轴铰支座。 图3.1 杆件及节点3.2 防火措施根据体育馆耐火等级确定防火极限，防火方法主要包括防火材料法和防火保护法。防火材料法优点是防火隔热性能好、施工不受钢结构几何形体限制，一般不需要添加辅助设施，属于现代的先进防火技术措施。防火保护法包括水喷淋系统，充水以及彻底屏蔽法。水喷淋系统造价较高，充水法在国外被广泛使用于空心钢管防护。彻底屏蔽法是用耐火材料组成的构件将钢结构彻底屏蔽，是最经济的保护方法。东北林大体育馆采用防火材料法。3.3 防腐措施钢结构耐腐蚀性较差，裸露的钢结构在大气作用下产生锈蚀。钢结构锈蚀后，会使构件截面变小，承载力降低，影响结构的使用寿命，必须采取防腐措施。1.非金属涂料的防腐非金属涂料的防腐需经过表面除锈和涂料施工两道工序。表面除锈的目的是彻底清除构件表面的毛刺、铁锈、油污及其他附着物，是构件露出银灰色，可以增加涂层与构件表面的黏合和附着力。表面除锈方法有人工除锈，喷砂除锈，酸洗和酸洗磷化除锈。一般采取人工除锈的方式。2.构造措施1）网壳的设计应便于防锈处理，构造上应避免出现难以油漆及能积留湿气和大 量灰尘的死角或凹槽，闭口截面应将杆件两端部焊接封闭。 2）现场施工焊缝施焊完毕后，必须进行表面清理和补漆，3）结构全部安装完成之后，必须进行全面认真的检查，对漏漆和损伤部分进行 补涂和修复，防止存在防腐上的弱点。千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。“结论”以前的所有正文内容都要编写在此行之前。- 8 -Error! No text of specified style in document.结论文中通过对网壳结构的介绍，对荷载的分析，及对构造的分析，图文并茂生动形象的对东北林业大学的结构做出了简要的分析。网壳结构的发展是必然的，随着新材料，新技术的发展，网壳结构必将展现更强的生命力。参考文献1 郭楠，荷载与结构设计方法M.北京：中国建筑工业出版社，2014.72 刘俊，刘涛，东北林业大学体育馆荷载与结构分析J教育教学论坛，2014.63 王金山，常远，体育馆结构设计常见问题J应用科技。2007.74 孙建琴，李方惠，大跨度空间结构M.北京.科学出版社.20095 李廉锟，结构力学，高等教育出版社，20096 中华人民共和国国家标准，工程可靠性设计统一标准（GB 50153-2008），中国建筑出版社，20087 中华人民共和国国家标准，建筑结构可靠度设计统一标准（GB 50068-2001），中国建筑出版社，20018 中华人民共和国国家标准，工程结构设计基本术语和通用符号（GBJ 132-90），中国建筑出版社，1991致谢本文是基于大跨度空间结构的课程学习的基础上结合张亮泉老师的细心指导下完成的。老师对大跨度空间结构的精准剖析，对工程实例的恰当引用对于论文的完成起到了极大的帮助。再此，十分感谢老师的悉心教导。谢谢老师！阶段测试论文评审意见表论文题目东北林业大学体育馆结构设计分析学生姓名专业班级2013级土木工程（卓越工程师）二班指导教师评语:成绩：指导教师（签字）： 年 月 日千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。