硕士研究生课程考试试卷硕士研究生课程考试试卷考试科目：大跨与空间钢结构考生姓名：许爱国考生学号：20101602009考生姓名：杨 丹考生学号：20101602024考生姓名：张 长考生学号：20101602084考生姓名：田真珍考生学号：20101602015学院：土木工程学院专业：土木工程（结构工程方向）考生成绩：90任课老师(签名) 崔佳考试日期：2011 年9月5日目 录录1设计资料 (1)1.1 设计题目 (1)1.2 设计参数 (1)2 设计分析软件 (2)2.1 分析软件简介 (2)2.2 软件分析步骤 (2)3 网壳结构设计计算 (3)3.1 设计基本要求 (3)3.2 计算分析方法 (3)3.3 结构模型建立 (4)3.4 节点与单元属性设置 (5)3.5 材料参数设置 (6)3.6 施加约束和荷载 (7)3.7 软件初步分析设计 (11)3.8 结构动力分析 (14)3.9 竖向和水平地震作用抗震验算 (19)3.10 结构风振系数计算 (21)3.11 支座节点及檩条设计说明 (21)4 网壳结构计算结果信息 (22)4.1 网壳结构各杆件内力 (22)4.2 网壳结构挠度验算 (23)4.3 杆件与球节点配置及材料表 (25)4.4 图纸生成说明 (25)5 设计结果分析 (26)5.1 单层球面网壳设计结果概述 (26)5.2单层球面网壳整体稳定性分析简述 (27)5.3 网壳结构设计中的几个问题 (29)参考文献 (30)附录 (31)1 设计资料1.1 设计题目设计一单层球面网壳，网壳直径为20m，矢高7m，周边支承在钢筋混凝土柱及圈梁上，钢筋混凝土柱沿周边每20°一个均匀布置，柱截面尺寸为400mm×700mm，柱顶及圈梁顶标高为15.2m，圈梁截面尺寸为400mm×600mm。
网壳上搭设檩条，屋面板采用压型钢板。
1.2 设计参数1.2.1 静荷载网壳自重：网壳结构的自重包括钢管杆件和焊接空心球节点（或螺栓球节点）的重量，可由计算机分析软件程序自动生成。
附加恒载：檩条、压型钢板和灯具重量取2kN m。
0.65/1.2.2 活荷载本工程屋面为不上人屋面，根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）(2006年版)第4.3.1条规定，屋面均布活荷载标准值取为2kN m。
屋面均布活荷载不应0.5/与雪荷载同时考虑，取二者的较大值，此处不考虑雪荷载。
基本风压取20.4/kN m，本工程不考虑积灰荷载和吊车荷载。
1.2.3 温度作用此处的温度作用仅指分析软件用到的温度差，即结构施工安装时的温度与使用过程中温度的最大差值，此处取为-25℃~25℃。
1.2.4 地震作用本工程所在场地的抗震设防烈度为8度，场地类别为Ⅱ类，根据《空间网格结构技术规程》（JGJ7-2010）第4.4.2条规定，本工程单层球面网壳结构需要进行竖向和水平抗震验算。
1.2.5 结构材料网壳结构杆件对钢材材质的要求与普通钢结构相同，本工程采用Q235B钢。
网壳杆件截面形式有圆钢管、方钢管、角钢及H型钢等，由于圆钢管相对回转半径大和截面特性无方向性，对受压和受扭有利，一般情况下，圆钢管截面比其他型钢截面可节约20%的用钢量，当有条件时应优先采用薄壁圆管形截面，圆钢管可采用高频电焊钢管（即有缝管）或无缝钢管，其中高频电焊钢管较无缝钢管造价低且壁薄，设计时应优先使用，故本工程采用高频电焊圆钢管。
网壳结构下部的钢筋混凝土柱及圈梁的混凝土强度等级采用C30。
2设计分析软件2.1分析软件简介本工程单层球面网壳结构的设计主要采用理论分析与专业软件计算相结合的形式完成。
与计算机技术密切相关的有限元法是空间网格结构最为有效、也是最精确的分析计算方法，目前，用于结构分析设计的通用有限元分析软件有ANSYS、ABQUS、ADINA、MIDAS和SAP2000等，国内比较普遍采用的空间网格结构计算机辅助设计专业软件有MSTCAD（轻软登字第001号）、SFCAD（轻软登字第002号）和MSGS （轻软登字第003号）等。
2.2 软件分析步骤本工程单层球面网壳结构主要采用由浙江大学空间结构研究中心开发的空间网格结构计算机辅助设计专业软件MSTCAD2008进行分析计算。
该软件用于设计的基本步骤包括：1）根据实际情况，建模时可选取“标准网格”的网格形式，输入相关数据；2）对标准网格进行调整，可以利用“坐标移动”、“起坡”、“复制”、“增加节点”、“删除节点”、“增加杆件”、“删除杆件”等等菜单；3）如果有梁柱单元，设定“杆件属性”、“节点属性”；4）添加约束、荷载，如果要考虑温度应力和地震作用，可以在“综合信息”中输入；5）设定杆件截面库规格和球节点规格；6）在“设计信息”中设定材料设计强度，选定节点类型；7）设定工况组合以及相应的分项系数；8）进行“满应力设计”。
如果确定截面，则直接进行“验算不调整”；9）查看各工况下的计算结果，如杆件轴力、节点位移、支座反力等，选择“显示设置”菜单；10）设置“配件材料库”；11）杆件截面确定之后，对于螺栓球节点网架，进行“高强螺栓设计”，然后进行“球节点设计”。
而对于焊接球节点，则直接进行“球节点设计”；12）进行“支座节点设计”；13）可以进行施工图绘制过程。
对于[企业版]用户，可以不需要施工图，而直接进行加工图绘制；14）在加工图绘制之前，应先进行“节点螺孔角度计算”，但对于焊接球网架，不需要此项工作；15）图纸绘制包括“绘图综合信息”输入→“布图”→“图纸生成”→“预演”→“转存DWG文件”。
3 网壳结构设计计算3.1 设计基本要求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，是以“薄膜”作用为主要受力特征的，即大部分荷载由网壳杆件的轴向力承受。
网壳结构属于一种曲面型网格结构，有杆系结构构造简单和薄壳结构受力合理的特点。
在设计过程中，需要考虑受力特性及多种荷载的影响，从而准确的获得合理的设计结果。
网壳结构类型很多，按曲面外形分类有柱面网壳、球面网壳，双曲扁网壳、扭曲面网壳、单块扭网壳和双曲抛物面网壳等，其中又可以分为单层和双层的。
网壳结构的选型应遵循安全、经济、美观的设计原则，能够满足建筑的使用功能要求，并且能够充分发挥结构良好的受力性能，根据使用功能、建筑美学、空间声学、跨度大小、刚度要求、平面形状、荷载大小及分布、支承条件、屋面构造与材料、节点体系与制作安装方法以及技术经济指标等综合考虑。
本工程采用的是单层球面网壳，仅适用于中小跨度，其形式又有多样性，按网格划分主要有肋环型球面网壳、施威得勒型球面网壳、葵花型球面网壳（联方型球面网壳）、三向网格型球面网壳、凯威特型球面网壳（扇形三向网格型球面网壳）和短程线型球面网壳。
网壳结构的网格在构造上当跨度小于50m时可取1.5~3.0m，网壳相邻杆件间的夹角宜大于30°。
根据《空间网格结构技术规程》（JGJ7-2010）第4.1.7条规定，网壳结构的支承条件可以根据支座节点的位置、数量和构造情况以及支承结构的刚度确定。
对于单层球面网壳可采用不动铰接支座、刚接支座或弹性支座。
网壳结构的支承必须保证在任意竖向和水平荷载作用下结构的几何不变性和各种网壳计算模型对支承条件的要求。
3.2 计算分析方法网壳结构应进行在外荷载作用下的内力、位移计算和必要的稳定性计算，并应根据具体情况，对地震作用、温度应力变化、支座沉降及施工安装荷载等作用下的内力、位移进行计算。
网壳结构内力和位移计算时认为材料是线弹性的，不考虑弹塑性及塑性的影响，网壳结构的稳定性计算由于位移较大要考虑结构的几何非线性影响，如果在全过程分析中需要更加准确的获取结构的稳定承载力，则需要进一步考虑材料的弹塑性性能。
网壳结构是一个准柔性的高次超静定结构，网壳结构的分析不仅仅是强度的分析，通常还必须包括刚度和稳定性的分析。
在某些条件下，结构的刚度和稳定性甚至比强度更为重要。
此外，在既定荷载下结构力流的分析、导向和控制也与结构外形设计及刚度的分配密切相关，分析的基础仍然是基于经典弹性理论。
网壳结构的计算方法较多，比较常用的和有效的计算方法包括：空间杆系有限元法、空间梁系有限元法和拟壳分析法。
有限元法可以用来分析不同类型、具有任意平面和几何外形、具有不同的支承方式及不同的边界条件、承受不同类型外荷载的网壳结构。
有限元单元法不仅可以用于网壳结构的静力分析，还可用于动力分析、抗震分析及非线性稳定全过程分析。
对于该计算方法可以自编程序或利用前面述及的有限元分析软件在计算机上进行运算。
对于单层球面网壳的内力、位移和稳定性计算主要用空间梁系有限元法（即空间刚架位移法），节点采用刚接。
其基本计算分析步骤包括：①将网壳结构的杆件离散为梁单元，以节点位移为基本未知量；②先对杆件单元进行分析，根据虎克定律建立单元杆件内力与节点位移之间的关系，形成单元刚度矩阵；③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，形成结构的总体刚度矩阵和总刚度方程；④引入边界条件，修正总体刚度矩阵；⑤求解结构的总刚度方程，得出各节点的位移值；⑥由节点位移求出杆件内力。
3.3 结构模型建立如图3-1所示为本工程单层球面网壳结构布置方案示意图，现从《空间网格结构技术规程》（JGJ7-2010）附录B图B.0.2给出的单层球面网壳各种形式中选择扇形三向网格（即凯威特型球面网壳）进行建模，如图3-2、图3-3和图3-4。
图3-1 单层球面网壳结构布置方案示意图图3-2 选取单层球面网壳标准网格形式3.4 节点与单元属性设置根据《空间网格结构技术规程》（JGJ7-2010）第4.1.4条规定，单层球面网壳结构的节点计算模型采用刚接，节点类型选用焊接球，球节点设计时根据实际需要自动设计，配置特性选用软件默认的“自动优化配置”，节点属性参数设置如图3-5。
单元计算模型为梁柱单元，可以承受轴力、弯矩、剪力和扭矩，属于压弯、拉弯构件，单元属性参数设置如图3-6。
图3-4 凯威特型球面网壳模型图3-5 节点属性参数设置图3-6 单元属性参数设置3.5 材料参数设置根据《空间网格结构技术规程》（JGJ7-2010）第5.1.4条规定，杆件截面的最小尺寸应根据结构的跨度与网格的大小按计算确定，普通角钢不宜小于∟50×3，钢管不宜小φ48×3。
本工程单层球面网壳杆件采用的是高频电焊圆钢管，故截面类型中选用圆管，如图3-7，圆钢管常用规格有：60×3.5、75.5×3.75、88.5×4.0、114×4.0、140×4.0、159×6.0、159×8.0、180×8.0、180×10.0、180×12.0、219×12.0、219×14.0等，如图3-8。