上海科技馆单层网壳结构节点受力分析
赵金城 许洪明
(上海交通大学 上海 200030)
摘 要:采用ANSYS有限元分析程序对上海科技馆单层网壳结构典型节点进行了分析,通过对节点上的连接杆件、
节点板、螺栓的受力分析,得出一些有意义的结论。
关键词:单层网壳结构 节点 有限元分析
STRESSANALYSISOFTHEJOINTOFADOMESHANGHAIM
XuHongming
JiaotongUniversity Shanghai 200030)
AbstractThetypicaljointofahugeellipsoidalaluminumdomeinthemiddlepartoftheShanghaiScience&TechnologyMuseumis
analyzedusingthefiniteelementprogramANSYS.Thestressdistributionsinthestructuralaluminummember,thegussetplate,thelockboltfastenerarestudiedrespectively.Basedontheanalysis,someconclusionsaremadeinthepaper.
Keywords:ellipsoidalaluminumdomestructure joint finiteelementanalysis
上海科技馆建筑中部为一巨型椭球体单层网壳
结构。该网壳结构由美国TEMCOR公司设计、制作,长轴尺寸为67m,短轴尺寸为51m,高4116m。杆件采用铝钛合金工字形截面。典型节点如图1所示。节点共有6根工字形截面杆件、上下两块铝合金节点板,通过紧固螺栓与杆件连接。各工字形截面杆件形心与主轴不在同一平面内,互成角度。与其它形式的节点相比,这种节点具有结构简单轻巧、节约材料、不需要焊接、施工方便、形式美观等优点
。
寻其破坏机理。
1 基本假定
(1)螺栓一端与节点板固定,另一端与杆件固
定,且不考虑螺纹的影响;
(2)弹性分析;
(3)不考虑杆件的扭矩及节点平面内弯矩的影响;
(4)加载时边界条件的性质保持不变。2 分析模型的建立
(1)杆件:根据工字型截面杆件、连接螺栓以及
与连接板的空间位置、尺寸关系建立局部坐标系,在局部坐标系中,先建一工字形截面与一杆件平行的直线,将截面沿着直线延伸一定的距离,即可完成杆件的建模。
(2)节点板:因为节点板并非平面薄板,而是略
图1 网壳节点示意 mm
节点在网壳结构中具有特殊的作用和重要性,因为每个节点上连接杆件很多,各杆件处于空间位
置是多方位的,通过节点传递三维力流也很复杂,节点设计的好坏,无疑是网壳结构成败的关键之一。本文对节点的三维受力运用ANSYS软件进行有限元分析,目的在于了解整个节点的受力情况,进而探
IndustrialConstruction2001,Vol131,No110
有弯曲,故建模较为复杂。就整个网壳而言,其外表面为椭球面,节点板应该是椭球壳的一部分。本文近似将节点板作为球壳的一部分,首先建一个球面,球半径取椭球长轴半径和短轴半径的平均值。然后根据节点板的尺寸,在球面上选定一短线段,将此线
第一作者:赵金城 男 1965年4月出生 博士 副教授收稿日期:2001-06-15
工业建筑 2001年第31卷第10期 7
段沿某一中心轴旋转得一曲面,将曲面沿其法线延伸至节点板的厚度即得节点板。
(3)螺栓:假定螺栓为剪切型。3 网格划分
(1)单元类型的选择
本文分析中杆件、节点板和连接螺栓都采用8节点四面体三维实体单元,每个节点3个自由度。
(2)单元网格尺寸的确定
考虑实际工程情况及计算机性能、计算速度等因素的影响,将节点区域划分成若干块,然后再逐块进行单元划分。具体划分出的网格如图2所示4
图31-SYZ;2--S2;5-S3
态是十分困难的,为简化分析,对1根杆件加了固定面约束,参考整个网架结构杆件的内力情况,节点分析中对没有约束的5根杆件仅施加了垂直于节点平面方向上的弯矩和轴向面压力,如图2所示
。
,这表明螺栓受力是以剪应力,而正应力很小。最大的拉应力(主应力)为235MPa,最大压应力(主应力)约为210MPa。最大剪应力沿x轴向,约为200MPa,与最大主应力近似相等。由此可以判断此螺栓的破坏应以剪切破坏为主。
通过对各个部位螺栓的分析比较可以看出,螺栓的主应力图的形状与其剪力图具有一致性,也就是说螺栓的受力是以剪力为主的,这是因为各工字型杆件的受力以轴力为主,工字型截面上的弯矩只起了很小的作用。在同一根杆件的翼缘板与节点板的连接螺栓中,其产生的位移、最大剪应力、最大主应力都近似相等,由此可进一步判断这些螺栓的受力基本上是均匀受力的,即并不存在哪一部位的螺栓先被剪坏的问题。另外,通过对螺栓杆位移的分析可以认为,螺栓杆发生弯曲破坏的可能性不大。512 节点板
图4为上部节点板在沿直径长度上应力变化曲线
。
图2 网格划分
参考结构的内力分析结果,从约束杆件开始,逆时针俯视,所加荷载的大小为,第1根杆:M=20kN・m,面力:p=30MPa;第2根:M=15kN・m,p=40MPa;第3根:M=30kN・m,p=35MPa;第4
根:M=20kN・m,p=25MPa;第5根:M=25kN・m,
p=50MPa。
5 结果分析及讨论511 螺栓
根据ANSYS列出的应力数值,找出应力相对比较大的螺栓,然后对这些螺栓进行分析。图3为上节点板中部螺栓的剪应力、主应力沿中心轴长度上的变化图。图中SYZ代表yz平面法线方向的剪力,
图4 上部节点板应力分布曲线
1-S1;2-SY;3-SZ;4-S2;5-SX;6-S3
S1代表主应力,SX表示沿x轴的正应力。
主应力图和剪应力图反映出螺栓受力最大的部位大约在杆件翼缘与节点板交界处。
主应力图线与8
从应力图上可以看出,正应力图线与主应力图
线相一致,由此可知:剪应力相对于正应力来说非常
工业建筑 2001年第31卷第10期
小,几乎可以忽略不计。对于节点板而言,越靠近边缘,应力越小,这是因为杆件上的力首先通过边缘上的螺栓传递给节点板一部分力,然后再通过第二排螺栓传递一部分,这样直到将全部力传递给节点板。而且还可以很明显地看出,在螺栓孔处发生了应力集中。最大主应力在节点板内边缘处,压力约为7317MPa。此应力与节点板的极限强度相差很大。
另外,节点板位移图表明,在x方向上的位移较大,主要是由杆件沿x向的位移引起的,即节点板本身在x轴上并没有大的弯曲,在y、z轴上也没有大的弯曲。由此可知,节点板不大可能产生过大的弯曲变形。
下部节点板和上节点板特征相似,很小,以正应力为主。513 杆件图5、图其宽度方向和腹板沿其高度方向上的应力变化图
。
腹板上的剪应力和正应力都没有翼缘板上的大,这主要是在工字型杆件的弱轴(x轴)方向上也受到了较大力的作用。也正是基于这一点,翼缘板设计时用了较大的尺度
。
图6 腹板剪应力和正应力
1-SXY;2-SYZ;3-SXZ;4-SX;5-SY;6-SZ
6 结 论
(1)节点上应力最大的点在螺栓和节点板上。(2)相对于节点板和杆件,螺栓受的应力较大,
是较为薄弱的一个环节,且以剪切为主,这主要是建
模时螺栓较少的原因。节点板的受力以正应力为主,相对于螺栓来说较小。
(3)杆件相对较为安全,一般不会发生材料的强度破坏。
(4)上、下节点板受力情况基本相同。
图5 翼缘板剪应力和正应力
1-SXY;2-SYZ;3-SXZ;4-SY;5-SX;6-SZ
参考文献
1 尹德钰,刘善维,钱若军.网壳结构设计.北京:中国建筑工业出版社,19962 李和华.钢结构连接节点设计手册.北京:中国建筑工业出版社,
1992
3 沈世钊,陈昕.网壳结构稳定性分析.北京:科学出版社,19994 王勖成,邵敏.有限单元法基本原理和数值方法.北京:清华大学
翼缘板最大剪应力在翼缘板的中部,沿y轴方
向,约为1314MPa,而正应力约为4613MPa;腹板最大剪应力在腹板与翼缘板的交界处,沿y方向,约为1017MPa,最大正应力约为3113MPa。
出版社,1997
(上接第3页)
思路去完成。
上海科技馆通过采用预应力技术等措施,解决结构超长问题的设计思路;在同一建筑物中采用两种桩型基础的探索,以及采用新的结构材料、结构体系,甚至同一屋面中采用多种结构形式的复合结构体系,是使上海科技馆得以实现的基本设计思想。上海科技馆结构设计突破传统思想,大量采用新技术、新设计理论是处在高科技发展时代,现代建筑设计的必然趋势,是一种全新的设计理念。
现代建筑设计不仅仅是建筑空间、建筑美观及功能的表现,也需体现结构设计的合理与美观。
9
部分屋面的玻璃天顶,不能暴露凌乱的结构杆件,以及对结构厚度也有相当的要求,很多部位结构高跨比只能做到1Π25以下。针对各个部位不同的要求,采用了3种结构形式,分别为四角锥平板式钢网架结构、钢管空间桁架、箱形截面钢梁。8 小 结
上海科技馆建筑方案通过国际招标征集而来,无论建筑平面、立面以及建筑材料等均体现了新的设计理念和丰富的内涵,这种建筑必然给结构设计提出许多新的问题,必须通过新的设计手段和设计
上海科技馆单层网壳结构节点受力分析———赵金城等
上海科技馆单层网壳结构节点受力分析
赵金城 许洪明
(上海交通大学 上海 200030)
摘 要:采用ANSYS有限元分析程序对上海科技馆单层网壳结构典型节点进行了分析,通过对节点上的连接杆件、
节点板、螺栓的受力分析,得出一些有意义的结论。
关键词:单层网壳结构 节点 有限元分析
STRESSANALYSISOFTHEJOINTOFADOMESHANGHAIM
XuHongming
JiaotongUniversity Shanghai 200030)
AbstractThetypicaljointofahugeellipsoidalaluminumdomeinthemiddlepartoftheShanghaiScience&TechnologyMuseumis
analyzedusingthefiniteelementprogramANSYS.Thestressdistributionsinthestructuralaluminummember,thegussetplate,thelockboltfastenerarestudiedrespectively.Basedontheanalysis,someconclusionsaremadeinthepaper.
Keywords:ellipsoidalaluminumdomestructure joint finiteelementanalysis
上海科技馆建筑中部为一巨型椭球体单层网壳
结构。该网壳结构由美国TEMCOR公司设计、制作,长轴尺寸为67m,短轴尺寸为51m,高4116m。杆件采用铝钛合金工字形截面。典型节点如图1所示。节点共有6根工字形截面杆件、上下两块铝合金节点板,通过紧固螺栓与杆件连接。各工字形截面杆件形心与主轴不在同一平面内,互成角度。与其它形式的节点相比,这种节点具有结构简单轻巧、节约材料、不需要焊接、施工方便、形式美观等优点
。
寻其破坏机理。
1 基本假定
(1)螺栓一端与节点板固定,另一端与杆件固
定,且不考虑螺纹的影响;
(2)弹性分析;
(3)不考虑杆件的扭矩及节点平面内弯矩的影响;
(4)加载时边界条件的性质保持不变。2 分析模型的建立
(1)杆件:根据工字型截面杆件、连接螺栓以及
与连接板的空间位置、尺寸关系建立局部坐标系,在局部坐标系中,先建一工字形截面与一杆件平行的直线,将截面沿着直线延伸一定的距离,即可完成杆件的建模。
(2)节点板:因为节点板并非平面薄板,而是略
图1 网壳节点示意 mm
节点在网壳结构中具有特殊的作用和重要性,因为每个节点上连接杆件很多,各杆件处于空间位
置是多方位的,通过节点传递三维力流也很复杂,节点设计的好坏,无疑是网壳结构成败的关键之一。本文对节点的三维受力运用ANSYS软件进行有限元分析,目的在于了解整个节点的受力情况,进而探
IndustrialConstruction2001,Vol131,No110
有弯曲,故建模较为复杂。就整个网壳而言,其外表面为椭球面,节点板应该是椭球壳的一部分。本文近似将节点板作为球壳的一部分,首先建一个球面,球半径取椭球长轴半径和短轴半径的平均值。然后根据节点板的尺寸,在球面上选定一短线段,将此线
第一作者:赵金城 男 1965年4月出生 博士 副教授收稿日期:2001-06-15
工业建筑 2001年第31卷第10期 7
段沿某一中心轴旋转得一曲面,将曲面沿其法线延伸至节点板的厚度即得节点板。
(3)螺栓:假定螺栓为剪切型。3 网格划分
(1)单元类型的选择
本文分析中杆件、节点板和连接螺栓都采用8节点四面体三维实体单元,每个节点3个自由度。
(2)单元网格尺寸的确定
考虑实际工程情况及计算机性能、计算速度等因素的影响,将节点区域划分成若干块,然后再逐块进行单元划分。具体划分出的网格如图2所示4
图31-SYZ;2--S2;5-S3
态是十分困难的,为简化分析,对1根杆件加了固定面约束,参考整个网架结构杆件的内力情况,节点分析中对没有约束的5根杆件仅施加了垂直于节点平面方向上的弯矩和轴向面压力,如图2所示
。
,这表明螺栓受力是以剪应力,而正应力很小。最大的拉应力(主应力)为235MPa,最大压应力(主应力)约为210MPa。最大剪应力沿x轴向,约为200MPa,与最大主应力近似相等。由此可以判断此螺栓的破坏应以剪切破坏为主。
通过对各个部位螺栓的分析比较可以看出,螺栓的主应力图的形状与其剪力图具有一致性,也就是说螺栓的受力是以剪力为主的,这是因为各工字型杆件的受力以轴力为主,工字型截面上的弯矩只起了很小的作用。在同一根杆件的翼缘板与节点板的连接螺栓中,其产生的位移、最大剪应力、最大主应力都近似相等,由此可进一步判断这些螺栓的受力基本上是均匀受力的,即并不存在哪一部位的螺栓先被剪坏的问题。另外,通过对螺栓杆位移的分析可以认为,螺栓杆发生弯曲破坏的可能性不大。512 节点板
图4为上部节点板在沿直径长度上应力变化曲线
。
图2 网格划分
参考结构的内力分析结果,从约束杆件开始,逆时针俯视,所加荷载的大小为,第1根杆:M=20kN・m,面力:p=30MPa;第2根:M=15kN・m,p=40MPa;第3根:M=30kN・m,p=35MPa;第4
根:M=20kN・m,p=25MPa;第5根:M=25kN・m,
p=50MPa。
5 结果分析及讨论511 螺栓
根据ANSYS列出的应力数值,找出应力相对比较大的螺栓,然后对这些螺栓进行分析。图3为上节点板中部螺栓的剪应力、主应力沿中心轴长度上的变化图。图中SYZ代表yz平面法线方向的剪力,
图4 上部节点板应力分布曲线
1-S1;2-SY;3-SZ;4-S2;5-SX;6-S3
S1代表主应力,SX表示沿x轴的正应力。
主应力图和剪应力图反映出螺栓受力最大的部位大约在杆件翼缘与节点板交界处。
主应力图线与8
从应力图上可以看出,正应力图线与主应力图
线相一致,由此可知:剪应力相对于正应力来说非常
工业建筑 2001年第31卷第10期
小,几乎可以忽略不计。对于节点板而言,越靠近边缘,应力越小,这是因为杆件上的力首先通过边缘上的螺栓传递给节点板一部分力,然后再通过第二排螺栓传递一部分,这样直到将全部力传递给节点板。而且还可以很明显地看出,在螺栓孔处发生了应力集中。最大主应力在节点板内边缘处,压力约为7317MPa。此应力与节点板的极限强度相差很大。
另外,节点板位移图表明,在x方向上的位移较大,主要是由杆件沿x向的位移引起的,即节点板本身在x轴上并没有大的弯曲,在y、z轴上也没有大的弯曲。由此可知,节点板不大可能产生过大的弯曲变形。
下部节点板和上节点板特征相似,很小,以正应力为主。513 杆件图5、图其宽度方向和腹板沿其高度方向上的应力变化图
。
腹板上的剪应力和正应力都没有翼缘板上的大,这主要是在工字型杆件的弱轴(x轴)方向上也受到了较大力的作用。也正是基于这一点,翼缘板设计时用了较大的尺度
。
图6 腹板剪应力和正应力
1-SXY;2-SYZ;3-SXZ;4-SX;5-SY;6-SZ
6 结 论
(1)节点上应力最大的点在螺栓和节点板上。(2)相对于节点板和杆件,螺栓受的应力较大,
是较为薄弱的一个环节,且以剪切为主,这主要是建
模时螺栓较少的原因。节点板的受力以正应力为主,相对于螺栓来说较小。
(3)杆件相对较为安全,一般不会发生材料的强度破坏。
(4)上、下节点板受力情况基本相同。
图5 翼缘板剪应力和正应力
1-SXY;2-SYZ;3-SXZ;4-SY;5-SX;6-SZ
参考文献
1 尹德钰,刘善维,钱若军.网壳结构设计.北京:中国建筑工业出版社,19962 李和华.钢结构连接节点设计手册.北京:中国建筑工业出版社,
1992
3 沈世钊,陈昕.网壳结构稳定性分析.北京:科学出版社,19994 王勖成,邵敏.有限单元法基本原理和数值方法.北京:清华大学
翼缘板最大剪应力在翼缘板的中部,沿y轴方
向,约为1314MPa,而正应力约为4613MPa;腹板最大剪应力在腹板与翼缘板的交界处,沿y方向,约为1017MPa,最大正应力约为3113MPa。
出版社,1997
(上接第3页)
思路去完成。
上海科技馆通过采用预应力技术等措施,解决结构超长问题的设计思路;在同一建筑物中采用两种桩型基础的探索,以及采用新的结构材料、结构体系,甚至同一屋面中采用多种结构形式的复合结构体系,是使上海科技馆得以实现的基本设计思想。上海科技馆结构设计突破传统思想,大量采用新技术、新设计理论是处在高科技发展时代,现代建筑设计的必然趋势,是一种全新的设计理念。
现代建筑设计不仅仅是建筑空间、建筑美观及功能的表现,也需体现结构设计的合理与美观。
9
部分屋面的玻璃天顶,不能暴露凌乱的结构杆件,以及对结构厚度也有相当的要求,很多部位结构高跨比只能做到1Π25以下。针对各个部位不同的要求,采用了3种结构形式,分别为四角锥平板式钢网架结构、钢管空间桁架、箱形截面钢梁。8 小 结
上海科技馆建筑方案通过国际招标征集而来,无论建筑平面、立面以及建筑材料等均体现了新的设计理念和丰富的内涵,这种建筑必然给结构设计提出许多新的问题,必须通过新的设计手段和设计
上海科技馆单层网壳结构节点受力分析———赵金城等