复杂空间钢结构

2024-06-10 版权声明 我要投稿

复杂空间钢结构(推荐7篇)

复杂空间钢结构 篇1

关键词:复杂空间钢结构,施工全过程,仿真分析,工况组合

该科学中心主楼建筑面积114 519.00 m2 (含地下室13 720.4 m2) 。主体建筑平面分为A, B, C, D, E, F, G七个区, 其中A, B区结构为一个整体, 仅为图示方便划分为两个区, C, D, E, F, G各区均为独立的结构体系, A, B区上部的钢屋盖为图示方便列为H区。AB区为公共部分;C, D, E, F区为展厅区;G区为影视区。该科学中心展厅区为超大型空间钢结构, 结构复杂, 施工难度大, 因而有必要对其施工过程进行仿真分析, 以确保施工阶段结构的稳定与安全。目前国内外在桥梁以及高层建筑的施工仿真分析领域作了许多颇有成效的工作[1,2,3], 但在复杂钢结构仿真分析领域内的研究还比较欠缺, 而在大型复杂空间钢结构的建设中, 由于结构形式复杂, 施工过程中的力学问题, 如形成整体结构前的稳定性问题、局部结构的倾覆问题成为了必须解决的关键性问题[4], 这也从一个方面说明了对其施工仿真分析的重要性。由于各展厅区空间结构类似, 本文在进行施工仿真分析时, 将以其中结构体量较大的E区为例进行。

1 施工模拟基本计算原理及方法

1.1 计算模型

1) 采用了空间杆单元Beam188;2) 不考虑详细节点状况;3) 不考虑焊接残余应力;4) 所考虑的荷载包括钢结构杆件和节点自重以及施工荷载。大量的实践表明, 在计算形如展厅区这种大型复杂结构时, 忽略某些次要因素, 可以满足工程精度的要求。根据以上原则建立的计算模型见图1。

1.2 施工仿真方法及原理

在施工仿真中有两种常用的方法, 一种是“静态法”, 一种是“动态法”[5]。按“静态法”分析与实际施工情况有本质的区别。因此在模拟施工过程分析时, 即使没有出现大变形, 也必须考虑按“动态法”分析。1) 从所参照的力学方法来分析。动态法是根据施工力学方法, 按施工过程进行模拟, 后一个施工工况的分析是在前一个阶段的受力特性的基础上进行的, 即在当前工况分析时考虑前面已经完成结构的应力和变形, 结构特性参数逐层变化, 刚度逐层形成, 整个模拟过程是一个动态过程。2) 从加载的过程来分析。为了说明的方便, 将实际结构等效为一、三层的框架结构。当施工第一层时, 重力作用 (含施工荷载) 会使首层结构产生变形。当施工第二层时, 二层结构柱浇筑在已经变形的首层结构上, 这样首层荷载不会给二层结构产生效应, 而二层荷载则对本层和首层共同产生效应, 以上各层依次类推。

2 工况分析与模拟

本文根据实际施工流程将本工程分为8个重要阶段进行模拟, 具体的工况模拟见表1。

3 计算结果及分析

3.1 各阶段应力及变形情况

表2是不同荷载工况下结构的最不利挠度值及拉压应力最大值。

3.2 随工况改变的关键点应力变化情况

由于结构复杂, 最大值出现的点并非固定点。本文选择了一些关键点进行研究, 其主要集中在大跨度桁架梁中间, 二层柱下端部位, 这些部位在不同工况下, 始终处于较高的应力水平, 基本能反映出结构应力随荷载工况的变化趋势 (见图2~图5) 。

3.3 结果分析

1) 最大挠度在楼板安装后 (即从工况4到工况5) 将产生一个很大的增长, 工况5的最大挠度为工况4的7.0倍, 这是一个施工的关键阶段。2) 该结构在施工过程中最大施工荷载作用下, 最大挠度仅为58.4 mm, 最大挠度和跨度的比值仅为1/616, 满足施工状态下的挠度要求。3) 从工况4到工况5, 最大应力增长了近1倍。另外, 由工况7到工况8, 即结构由加屋面钢架到加屋面荷载这一阶段, 工况8的最大拉应力为工况7的1.2倍, 最大压应力为工况7的2.18倍, 应力大幅度增长, 由于钢结构在大压应力的情况下, 可能出现失稳现象, 所以第8阶段也是一个关键阶段, 同样应特别注意这一阶段挠度和应力的变化。4) 由图2可知, 关键点1随着工况的变化, 应力并未出现线性的增长或者减少, 而是出现了应力的起伏变化, 说明在复杂空间钢结构中, 应力的传递相当的复杂和不确定, 这一点更说明了进行仿真分析的重要性。关键点2, 3, 4也具有类似的受力特点。

4 结语

1) “动态法”能够反映施工过程中的时间效应, 更加贴近施工实际。由本文可以看出, 对于复杂钢结构的施工仿真模拟采用“动态法”划分为若干关键施工阶段分析是可行的。2) 通过施工仿真分析, 可以得出结构在施工过程中的重要阶段, 也即就是应力或挠度突变的阶段, 如本施工仿真分析中的第4阶段至第5阶段, 可以为在施工过程加强这一阶段的监控提供科学的依据。3) 鉴于复杂钢结构体量大, 空间传力体系复杂的特点, 通过施工仿真分析, 可以得出应力在施工过程中的变化趋势, 为复杂钢结构的设计及对复杂钢结构空间传力体系的研究提供了有效的参考。4) 由以上分析还可以看出对复杂钢结构的施工仿真分析可以反映结构在施工过程中的动态效应, 将其受力状态的动态变化呈现出来, 弥补了设计过程中的不足, 为其施工过程中的安全进行提供了可靠的保障。

参考文献

[1]李瑞礼, 曹志远.高层建筑结构施工力学分析[J].计算力学学报, 1999 (5) :46-47.

[2]刘冠亚, 李达欣.带转换层的超高层建筑的施工模拟分析[J].浙江建筑, 2004 (8) :30-31.

[3]简政, 校红波, 刘兴运.某特大桥三维有限元施工仿真分析[J].西北水利发电, 2005 (9) :20.

[4]鲍广鉴, 曾强, 陈柏全.复杂空间钢结构施工过程的计算机仿真分析[J].施工技术, 2005 (10) :97-98.

复杂空间钢结构 篇2

关键词:有限元,MATLAB,空间桁架结构

0引言

有限元法是20世纪60年代出现的一种数值计算方法。它的优点是解题能力强,可以比较精确地模拟各种复杂的曲线或曲面边界,网格的划分比较随意,可以统一处理多种边界条件,离散方程的形式规范,便于编制通用的计算机程序。在现实生活中会遇到各种各样的复杂空间桁架结构,为了计算它的节点力、节点位移、单元应力及应变,对于每种结构都需要编程计算,浪费了很多的时间。本文主要介绍一款用MATLAB语言编写的针对复杂桁架结构在不同约束条件下的通用程序,并且使用GUI界面进行操作,进而获得了更好的通用性。它可以很好地计算各种桁架结构,得出节点外力、节点位移、单元的应力及应变,并且可以画出外力图、位移图、应变图和应力图,便于了解整个桁架结构的外力、位移、应变、应力的分布情况。

1有限元的解题步骤和GUI界面的使用方法

1.1 有限元的解题步骤

有限元方法是用于结构工程和其它领域的一种数值计算方法。本文主要用于计算空间桁架结构,解题步骤主要包括6步:

(1)离散化域:这个步骤包括将域分解成单元和节点。对于空间桁架结构已经离散化了,每个桁架杆为一个单元,桁架杆的端点为离散的单元的节点。

(2)写出单元刚度矩阵:写出域内每个单元的单元刚度矩阵。

(3)集成整体刚度矩阵:这一步用直接刚度法实现。

(4)引入边界条件:诸如支座、外加荷载和位移等。

(5)解方程:这一步骤分解整体刚度矩阵并用高斯消去法求解方程组。

(6)后处理:得到额外的信息,如支反力、单元节点力、单元应力和绘制图形等。

1.2 GUI界面的使用方法

为了使操作者解题思路清晰,本GUI界面主要包括总体参数设定、结构刚度生成、边界条件设定、计算过程和后处理5个部分。具体的使用方法为:

(1)离散化域:这个步骤需要手动完成,通过离散可以得到单元编号和节点编号。

(2)写出单元刚度矩阵:使用者需输入单元号和单元的弹性模量等,然后按“确定”键,程序会自动计算出单元的刚度。

(3)集成整体刚度矩阵:使用者需手动输入单元的编号后按“确定”键,程序会自动把输入编号单元的刚度矩阵集成到总体刚度矩阵当中,直到把结构所有的单元节点编号都输入完毕后,软件会自动地返回结构的整体刚度矩阵。

(4)引入边界条件:本步骤需要使用者分别输入位移边界条件和力边界条件,只需要输入有位移或力边界条件的节点编号和相应的数值即可,程序会自动返回位移边界条件和位移边界条件矩阵。

(5)解方程:这一步骤分解整体刚度矩阵并用高斯消去法求解方程组,使用者只需按“计算”键,程序就会自动返回计算的节点位移和节点力。

(6)后处理:本步骤主要完成图形的绘制和计算结果的查询,使用者只需要按“绘制图像”键就可以得到外力图、位移图、应力图和应变图。输入节点号,然后按“确定”键,可以得到输入节点号的力和位移;输入单元号、节点号和刚度,然后按“确定”键,可以得到单元的应变和应力。

2应用举例

图1为四杆两方向受力空间桁架结构,节点1、节点2、节点3、节点4的支座是球铰,可以旋转但是不能平移。假定所有杆件弹性模量E=200GPa,截面积A=0.003m2,节点5的x方向外力P1=15kN,z方向外力为P2=20kN。求:①节点5的位移;②节点1、节点2、节点3、节点4的支反力;③每个单元的应力。

计算结果见表1和表2。

空间桁架结构有限元分析界面见图2,后处理的第一行的两个图像分别为节点力图和节点位移图,其中■代表x方向、▲代表y方向、●代表z方向;第二行的两个图像分别为单元应力图和单元应变图。

3结论

本文主要介绍一款用MATLAB语言编写的针对复杂空间桁架结构在不同约束条件下的通用程序,并且使用GUI界面进行操作。它可以很好地计算各种桁架结构,得出节点外力、节点位移、单元的应力和应变,并且还可以画出外力图、位移图、应力图和应变图,便于我们了解整个桁架结构的外力、位移、应变和应力的分布情况。对于各种复杂的桁架结构本程序都非常有效,计算精度也很高,省去了重复编程所浪费的时间,大大地提高了工作效率。

参考文献

[1]李海涛,邓樱.MATLAB程序设计教程[M].北京:高等教育出版社,2002.

[2]王勖成,邵敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].北京:清华大学出版社,1997.

[3]徐次达,陈学潮,郑瑞芬.新计算力学加权残值法—原理、方法及应用[M].上海:同济大学出版社,1997.

[4]李庆杨,王能超,易大义.数值分析[M].武汉:华中科技大学出版社,2001.

[5]徐芝纶.弹性力学简明教程[M].北京:高等教育出版社,1980.

[6]张朝晖.ANSYS8.0结构分析及实例解析[M].北京:机械工业出版社,2005.

[7]Duane Hanselman,Bruce Littlefield.精通MATLAB综合辅导与指南[M].李人厚,张平安,译.西安:西安交通大学出版社,1998.

[8]I M Smith,D V Griffiths.有限元方法编程[M].王崧,周坚鑫,王来,等,译.北京:电子工业出版社,2003.

复杂地质空间二三维建模方法研究 篇3

1 二维建模

地层在漫长的演化变化过程中, 在各种地球动力作用下发生切割、扭转、挤压等变化, 造成了地层结构的复杂多样, 形成了各种地质构造现象, 如断层、向斜、背斜、尖灭、侵入体、透镜体等。如此复杂多样的地层, 给地质空间建模造成了一定困难。本文从点、线、面的基本几何图形出发, 将各种地层结构用曲线和区域进行表示 (“点”视为一个很小的区域) 。

地层结构的曲线表示, 即在建模过程中, 利用地表线、地层界限和断层面等线条来表达多种复杂地质情况, 如层状构造、断层、尖灭等, 如图1所示。地层结构的曲线表示与传统的二维地质图件绘制一致, 便于用户理解和绘制模型, 而且这种表示方法简单, 对于层状构造的地层具有很好的适用性。

地层结构的区域表示就是利用封闭区域与边界来表示各种复杂的地质构造形态。这种方式补充了地层结构的曲线表示只能表达地层的分界或边界, 不能表达内部细节与填充的不足。其包括边界和区域属性两部分。边界是组成地质构造的分界或边界线, 由封闭的曲线表示。区域属性由区域填充颜色、填充花纹、地层属性和地层描述等组成。对区域填充的问题, 本文在引入经典种子填充算法的基础上, 采用了递归种子填充算法来实现二维地层构造模型的填充。在填充方式上, 本文采用四向连通区域填充。

2 三维建模

地层的复杂多样性是地质空间三维建模的一个巨大难题。本文提出在地质空间二维建模的基础上, 通过对二维模型的轮廓分析, 实现轮廓匹配和三角网连接, 从而构建地质空间的三维模型。

本方法的关键是实现空间上相邻轮廓的匹配对应和三角网连接问题。在归纳分析各种算法和各种复杂地质模型特点的基础上, 本文将各种二维对应和重构问题最终简化为两种情况:一种是单一轮廓的对应问题, 一种是多轮廓线的对应问题。针对单一轮廓对应问题提出了切开-缝合的思想。将空间问题转化为平面无约束D elaunay三角网问题, 可以很好地实现轮廓匹配和三角网的连接。针对多个轮廓的对应问题引入B PLI算法并提出了改进思想, 可以取得较好的建模结果。图2是两层多轮廓对应建模效果图。其中, 层s1的一个轮廓对应着层s2的三个轮廓线。采用分段匹配对应, 可以实现较好的建模效果。

3 结语

本文研究提出了对各种地质构造的曲线表示法和区域表示法, 实现了简单明了的地质空间二维建模, 并以此为基础, 采用二维轮廓匹配的建模方式, 实现了三维地质模型的交互式建模。过程中对现有算法进行了改进, 优化了算法效率, 相关方法可有效应用于复杂地质空间二三维建模工作中。通过二三维地质建模可以恢复出地表以下地质体的结构、形态特征以及空间展布情况, 并能够在三维空间中以可视化的方式, 把成矿过程相关的地质构造形象地仿真模拟出来, 可增强研究人员的想象力和实际观察力, 为矿产资源信息的进一步定量分析、探索与利用提供强有力的支持。

参考文献

[1]曹国林, 孟耀伟.复杂地质构造三维地质体建模方法研究[J].矿冶工程, 2012.

[2]武强, 徐华.三维地质建模与可视化方法研究[J].中国科学, 2004.

[3]金江军, 潘懋, 屈红刚等.三维地质建模及其在地下空间开发中的应用[J].信息技术, 2007.

复杂空间钢结构 篇4

在质量控制过程中,质量特性波动在质量系统中的传递趋向与影响程度直接决定着质量控制模式与效果。复杂产品质量传递链长,质量特性与其影响因素关联关系复杂,质量特性的传递链呈现出非线性、复杂性和不确定性的基本特征。质量系统的复杂性决定了质量异常波动传递的无序与混沌,质量问题经过多过程多次迭代演进,要准确快速定位到质量波动源显得尤为困难。因此,研究并建立面向复杂产品的质量特性传递规律以及质量特性波动传递模型极为重要。

当前,对质量特性异常波动理论及其传递规律的研究日益引起人们的广泛关注。文献[1]采用基于灰色关联分析方法解决波动过程质量特性间复杂相关关系;文献[2,3]采用基于表面不相关回归的响应面方法研究质量特性波动优化设计;文献[4,5]采用基于多元信噪比的优化方法解决波特性动过程的静态问题。然而上述研究大多集中在以单一信息主线研究质量特性波动,或者单一过程的质量特性集合局部优化,这些理论与方法的研究在复杂质量系统中难于剖析质量波动的内在机理,同时也难于实现产品质量波动的追踪控制。对于面向复杂产品全寿命周期过程的质量特性波动传递规律的研究尚不多见。

本文围绕复杂产品质量特性波动在非线性复杂质量系统的演进与传递规律展开研究,分析了复杂产品质量特性的混沌特性以及复杂质量系统结构参数进入混沌区域的临界点,提出了质量特性波动混沌传递模式,构建了质量特性异常波动非线性混沌空间状态计算模型。

1 复杂产品质量特性多维多过程混沌系统形成

现代的生产模式与市场模式映射在质量系统中,使质量系统呈现多过程、多因素、多尺度等综合特征,每个环节都受到5M1E的综合影响[6,7,8]。质量系统关键组分由多质量特性与多要素构成。质量系统内部组分之间相互关联、相互作用,这些组分内部通过众多质量特性相互作用构成一个微观质量域,并且组分之间多尺度下的耦合作用构成一个中观质量域;产品的质量是整个质量复杂系统各个组分耦合下的宏观涌现。不同尺度下的质量域具有复杂的非线性关系。质量域形态及其组合的随机性和质量域之间相互作用关系的随机性和模糊性,使得质量特性在质量域间的传递变得复杂无序、不确定,质量特性的异常波动也具有不确定性。如图1所示,随着时间推移,时间尺度下的质量特性波动在产品全寿命周期各个时间阶段呈无序扩散。

在质量系统中,质量特性波动与产品质量环境之间的相互作用关系非常重要。通常质量特性波动的数目取决于产品复杂程度、产品全寿命周期环境、产品质量控制状态等因素。如用t表示时间,用xt表示第t时间阶段的质量特性波动数,用xt+1表示t+1时间阶段的质量特性的波动数,则可用迭代函数

xt+1=f(xt,v) (1)

来表示质量系统中质量特性波动在全寿命周期内的变化情况,式中v反映了产品质量全寿命周期环境中各种因素对质量特性波动的综合影响情况,将其定义为“系统的结构参数”或“控制参数”。实践证明,在多样化的产品质量控制环境中,函数f(x)有多种表达式。其形式和参数存在差异,但通过相应的转换,都可以转换成通用的logistic映射[9,10,11,12]:

xt+1=f(xt,v)=vxt(1-xt) (2)

当质量特性从产生到进入受控状态,其所属环境及其影响因素从简单逐步向复杂演变。参数v从零逐渐增大,Logistic映射表现出很复杂的动态行为。当0<v<1时,序列xt迅速趋向不动点xt→0,由于f ′(0)=v<1,故存在稳定的不动点,则说明质量波动数逐渐减少,最终导致质量波动消失,进入产品质量控制的理想状态。当1<v≤3时,存在两个不动点,其中一个是0点,f′(0)=v>1,故其是不稳定的;另外一点,|f(1-1v)|=|2-v|<1是稳定点,这是产品质量控制的期望状态,这意味着控制参数v限制于(1,3],质量特性波动从不稳定0点,逐步趋向稳定状态,这种情况称为周期1解。当3<v1+6时,上述稳定点变得不稳定,经过短期迭代后,分叉出一对新的稳定的不动点,说明当质量特性环境变得复杂时,单一控制措施与单阶段控制波动的方法,已经不能彻底遏制波动扩散,质量问题已经传递到下一环节,并且有可能把波动控制在两个稳定点之间,这种情况称为周期2解。随着产品质量系统复杂性增加,控制参数v逐步增大,周期2的两个值也变得不稳定,各自又产生一对新的不动点,成为下一阶段控制的稳定状态,成为周期4解。随着v值不断增加,周期解按2r进行分叉,即出现质量特性波动2r次不稳定点,同时出现2r次趋向稳态。当v达到极限值v∞=3.576 448…时,系统的稳态解是2∞,系统进入了混沌状态。

质量系统结构参数v是随着系统复杂度的变化而变化的。复杂产品多维多过程质量特性与其影响因素的非线性、寿命周期内质量波动的随机性、质量特性初始值的敏感性等特征,是质量特性系统进入混沌的本质原因,它决定着系统结构参数的变化。质量系统结构参数v的变化决定了质量系统处于周期区还是混沌区。这种现象导致未来质量控制的两大发展趋势:①优化并分解产品设计制造流程,降低质量系统结构参数,控制质量系统进入混沌状态;②针对复杂产品质量系统,进行质量系统混沌状态下的控制方法研究。

2 复杂产品质量特性波动混沌特性

产品质量特性波动也伴随着产品质量特性在寿命周期过程中演化而不断分叉。质量特性细分到什么程度,产品质量特性波动也扩散到什么程度,并与产品设计制造过程融为一体。根据贝诺勒变换原理,复杂产品质量特性波动扩散具有如下混沌特性:

(1)初值敏感性。复杂产品质量特性波动扩散传递过程对初值敏感,这意味着产品质量波动具有很强的扩散性与不稳定性。产品质量特性波动如果出现在产品寿命周期前期,在无任何约束的条件下,其扩散会变得更强。比如在产品设计阶段某个质量特性或一组质量特性出现异常,在没有及时诊断控制的情况下,其传递深度与扩散面是很大的,使产品后期质量保证难度增大,不稳定性增强。质量特性波动在什么阶段出现,什么环境下出现,对后来的影响完全不同,这就是不稳定性。

(2)稠密性。如果每个点aX,则存在一个收敛于a的子序列{xn}∞n=0,说明产品质量特性波动经过多次迭代以后,在产品中任意一个点的小范围内,存在有很多个质量特性异常波动,同时存在多个产品质量缺陷源。

(3)分维性。在无约束条件下,复杂产品质量特性波动的混沌轨迹x0,x1,x2,…,xn,…在相空间中无穷缠绕、折叠和扭结,构成了复杂层次的自相似结构。对复杂产品质量特性波动的混沌特性的讨论,是建立在无约束条件下的一种理想状态的分析。在实际中是不会允许质量特性波动自由扩散与传递的。产品在寿命周期过程中的设计迭代也不会进行无限多次,但对于产品寿命周期的每个主要阶段,有可能存在多次的设计迭代循环。建立质量特性波动传递的实际状态空间模型,对质量特性控制机理研究具有重要意义。

3 复杂产品质量特性波动混沌传递状态空间模型

产品全寿命周期过程包含多阶段、多工序、多参数,且各个阶段、各个工序、各个参数之间互相影响。存在于不同阶段、不同状态下的产品质量特性,不仅质量特性之间存在耦合关联,影响质量特性的因素(包括设计制造过程参数)与产品质量过程之间也存在耦合关系,三者形成非线性耦合结构网络。质量特性波动随着质量耦合网络进行传播,并累积到最终产品上。从宏微观尺度看,质量特性波动分为过程层次波动与工序层次波动。过程层次波动是指产品质量特性在寿命周期各个过程间的一系列波动传递特征,体现产品质量异常在全过程的整体涌现;工序层次波动是指产品质量特性在寿命周期各个阶段(比如设计阶段、制造阶段)中,体现产品质量异常在每个过程的集体涌现。

状态空间分析法不仅可以描述系统的输入输出关系,而且可以描述系统的内部特性,特别适用于多输入多输出系统,也适用于时变系统数学模型的非线性系统和随机控制系统,它采用状态空间表达式作为描述系,是对系统的一种完全描述[13,14,15,16]。复杂产品质量系统是一个多输入多输出的复杂系统,为此采用状态空间分析法建立实际质量特性波动混沌分形传递模型。通过分析质量特性在质量系统中的运行状态及其变化,建立质量特性在质量系统耦合网络中混沌分形传递规则。产品质量特性波动状态空间分析法的基本定义如下:

定义1 质量特性系统状态变量。产品质量特性动态系统的状态变量是确定质量特性动态系统的最小一组变量(称为质量特性状态变量),如果至少需要n个变量x1,x2,…,xn才能完全描述质量特性动态系统的行为(即一旦给定t=t0时的输入量和初始状态,就可以完全确定系统的未来状态),则这n个变量就是一组状态变量。

定义2 质量特性系统状态向量。如果完全描述质量特性系统需要n个状态变量,那么这n个状态变量可以看作是向量Xn个分量。该向量就称为质量特性系统的状态向量。因此,质量特性系统的状态向量也是一种向量,一旦t=t0时刻的状态和输入量U(t)给定,则任意tt0时刻的系统状态X(t)便可唯一地确定。

定义3 质量特性系统状态空间。由质量特性系统状态向量X1(t),X2(t),…,Xn(t)所组成的n维空间称为状态空间。任何状态都可以用状态空间中的一点来表示。

定义4 质量特性系统状态方程。质量特性系统状态方程是用质量特性系统状态变量描述质量特性系统的动态方程,其一般形式是非线性、变系数、一阶常微分方程组:

x˙1=f1(x1,x2,xn;u1,u2,,ur,t)x˙2=f2(x1,x2,xn;u1,u2,,ur,t)x˙n=fn(x1,x2,xn;u1,u2,,ur,t)}(3)

式中,xi(t)为状态变量,i=1,2,…,n;uj(t)为控制变量,j=1,2,…,r,rn;x˙i为状态变量的一阶微分;t为时间自变量。

图2为质量特性系统时间序列状态节点示意图。在产品质量特性全寿命周期过程中,将质量特性状态节点看成是时间序列,可视其为一维离散时变系统,并采用状态空间方程进行描述,理想情况表达式为

Xo(k)=A(k)Xo(k-1)k=1,2,,ΝYo(k)=C(k)Xo(k)k{1,2,,Ν}}(4)

式中,Xo(k)、Yo(k)分别为经过状态节点k后生成的理想状态下的产品质量特性值及质量特性监测值;A(k)为质量特性系统矩阵,表示不同质量特性状态节点之间的关系,反映了产品质量特性在各状态节点间的转换情况,当k=1时,A(1)为单位矩阵;C(k)为监测矩阵,对应某状态节点的监测维数和所监测特性信息,当该状态节点不进行测量时,为零矩阵。

而在实际产品质量特性控制过程中,由于随机异常和系统不稳定因素的存在,系统模型表示为

X(k)=A(k)X(k-1)+B(k)U(k)+ψ(k)Y(k)=C(k)X(k)+η(k)}(5)

式中,X(k)、Y(k)分别为实际状况下状态节点k后产品特征值及产品质量特性值;U(k)为该质量特性状态节点k上的主要经验波动输入值;B(k)为输入矩阵,反映状态节点k上因素对产品质量特性的影响;ψ(k)和η(k)分别为产品生产噪声和监测噪声。

将式(4)、式(5)相减,则可得到产品寿命周期质量特性时间尺度上的波动传递模型:

x(k)=X(k)-Xo(k)=A(k)x(k-1)+B(k)U(k)+ψ(k)y(k)=Y(k)-Yo(k)=C(k)x(k)+η(k)}(6)

对于不同类型的产品质量特性系统单元,由于结构和机理的不同,模型中各符号对应的形式也不尽相同,式(6)是通用的原理性公式。下面针对具体的质量特性组合给出具体的分析过程。

4 应用实例分析

针对零传动原理的数控滚齿机装配过程,首先建立装配过程质量特性波动数学表达式:

x(k)=(x1(k),x2(k),…,xi(k),…,xns(k))T (7)

式中,ns为产品质量特性总数目;xi(k)为装配状态节点k上被监测的质量特性i的质量特性波动值。

装配过程的产品质量特性波动主要以产品特征尺寸及误差等具有矢量特征的质量特性组成,所以质量特性波动数学表达式为向量结构式,具体形式为

xi(k)=(ΔQixQiyQizαiβiγi)T (8)

如果该质量特性i不在装配状态节点上体现,则为零向量。另外装配过程质量特性的测量,涉及零件表面上的波动与测量点的转换,要将零件表面的波动转换到表面测量点上。当零件装配过程中质量特性由于平移或偏移而偏离正常位置产生波动的时候,如果旋转角度(Δα、Δβ和Δγ)很小,那么零件表面a与测量点b之间的关系如下:

[ΔXbΔYbΔΖbΔαbΔβbΔγb]=W(b,a)[ΔXaΔYaΔΖaΔαaΔβaΔγa](9)

其中,Lx(b,a)=Xb-Xa,Ly(b,a)=Yb-Ya,Lz(b,a)=Zb-Za,XaYaZaXbYbZb为点ab在状态空间全局坐标系上的坐标。

在装配过程中,引起质量特性波动来源的主要是夹具组合源和定位基准组合源。因此,经过装配状态节点k装配后的部件,其质量特性波动由三部分组成:装配状态节点k-1传递过来的部件质量特性波动x(k-1)、装配状态节点k上的夹具组合源波动P(k)和从装配状态节点k-1到装配状态节点k定位基准组合源波动H(k-1),亦即

x(k)=x(k-1)+P(k)+H(k-1) (11)

式中,P(k)为夹具类组合波动造成的零部件质量特性整体波动,其值由误差传递流确定[17,18];H(k-1)为定位基准组合波动造成的零部件质量特性整体波动,其值由误差传递流确定[17,18]。

基于零传动原理的数控滚齿机是用传动功能部件取代了“电机—中间传动环节—主轴”环节,中间传动环节的取消,最大限度地减小了传动误差,使得机床整体精度质量特性的控制,从宏观的角度看,集中在几个装配单元体上。将机床系统对应的单元体分为两个分支:床身B0、工件主轴B1、工件B2为一分支;床身B0、进给拖板B3、立柱B4、滚刀架转盘B5、滚刀架B6、刀具主轴部件B7和刀具B8为另一分支。其三维图见图3。图4为根据多体系统理论建立的滚齿机的拓扑结构图。

根据以上零传动滚齿机的拓扑结构描述,得到YK3610的低序体阵列如表1所示,表2所示为该样机各部件之间的自由度。其中,x、y、z、α、β、γ分别代表沿x、y、z 轴的移动和绕x、y、z轴的转动,“0”表示不能自由运动,“1”表示能自由运动。

装配过程关键质量特性波动传递模型验证步骤如下:

(1)按照前文公式确定装配过程模型及YK3610低序列阵体(图3、图4、表1)。根据笛卡尔坐标体系原则建立零部件坐标系,以床身B0中心点为原点,确定各部件装配过程关键测试点坐标。零部件坐标体系选择的不同不会影响最终结果。

(2)装配过程系统噪声的确定与关键质量特性波动传递模型的建立。首先对装配工具进行多次测量,确定他们的可重复度。正常条件下,装配过程只存在自然波动,因此各部件装配设备噪声服从均值为零的正态分布,其标准差为各自对应的可重复度。根据坐标间关系确定P(k)、H(k-1)。表3所示为装配部件间噪声确定。

根据上述数据并结合式(8)、式(9)、式(10)、式(11)建立YK3610滚齿机质量特性波动传递模型。

(3)模型仿真结果。用MATLAB对上一步建立的质量特性波动传递模型进行仿真。首先通过三坐标测量机获取各部件关键质量特性值。然后采用质量特性波动传递模型分别仿真,最后将实际生产与仿真数据比较。以滚刀主轴定位面异常导致整体装配精度的波动为例,归一化处理X轴、Y轴,验证模型的有效性,结果如图5所示。

由图5可知,在正常情况下,由滚刀主轴定位面引起的装配精度波动其模型仿真得到的数据与实际测量的数据之间存在很小的差异。当生产过程中出现特殊异常时,波动传递模型也能及时表现出来,并且反映了质量特性在零部件装配过程中的传递,从而说明提出的质量特性波动传递模型是可行有效的。

5 结束语

本文以复杂产品质量特性为研究对象,从产品质量特性关联关系与系统结构等角度出发,在分析复杂产品质量特性多维多过程非线性关系的基础上,发展了一种关于质量特性与影响因素混沌传递的质量系统建模方法,并解析了复杂产品质量特性系统混沌特性,建立了产品质量特性波动混沌状态空间计算模型,解决了产品质量特性波动过程中传递与波动源关联问题,结合零传动滚齿机装配过程关键质量特性波动传递在建模中的应用,说明本文阐述理论与模型的有效性。在研究产品质量特性混沌分形结构机理的基础上,确定质量系统混沌状态的控制方法是后续研究关注的内容。

某复杂钢结构厂房的弹塑性时程分析 篇5

在工业设计中, 因工艺布置的需要有时会出现一些厂房内部设置多个夹层平台, 建筑平面和立面不规则的结构形式。该类结构一般为多层或小高层, 虽然建筑高度不高, 但结构相对复杂。其建筑形体及其构件布置可能存在多项《建筑抗震设计规范》 (GB50011—2010) 规定的平面和竖向不规则性, 属于特别不规则建筑[1,2]。为了确保建筑结构的抗震安全性和可靠性, 规范要求对于特别不规则的建筑除进行常规的计算分析外, 还应采用弹性时程分析法进行补充计算。除此之外, 本文还采用了弹塑性动力时程分析对振型分解反应谱法和弹性时程分析法计算结果进行验证分析, 最终得出该类结构抗震受力性能。

2 抗震设计方法

当前, 我国及世界上多数国家的结构抗震设计采用的是基于承载力的设计方法, 即用底部剪力法和振型分解反应谱法等简便易行的静力弹性方法计算结构在小震作用下的内力及位移, 用组合的内力验算构件截面以保证结构具有一定的承载能力;根据正常使用阶段的要求确定位移限值。通过构造措施可以使结构具有延性和耗能能力, 以使结构在大震作用中不会倒塌。但这种方法并不能反映地震动持续时间对结构的影响, 更不能给出地震过程中各构件进入弹塑性变形阶段的内力和变形状态[3]。

动力时程分析法是一种输入地震波直接计算结构地震反应的分析方法, 是把地震过程按时间步长分为若干段, 在每时间段内计算分析, 算出反应, 能够得到地震反应全过程中各时刻结构的内力和变形状态。弹塑性时程分析法还能给出结构的开裂和屈服的顺序及整个破坏过程, 发现应力和塑性变形集中的部位, 从而判明结构的屈服机制、确定建筑结构的薄弱层、了解结构的弹塑性抗震性能。

3 工程概况

本工程为3层钢框架-支撑结构, 主要柱距为9m左右, 最大柱距12.5m, 建筑檐口高度为36m, 属大型设备上楼面较复杂小高层厂房。厂房内带5个夹层平台, 屋顶有两突出烟囱, PKPM建模共11层。另外, 12m露台上设有2个设备钢框支架, 建模时被简化, 仅在相应位置输入最大柱脚力。材质采用Q345B钢。结构模型和主要工艺荷载布置见图1。



抗震设防烈度为6度, 设计地震分组为第三组;

设计基本地震加速度0.05g;场地类别Ⅱ类;基本风压:0.55k N/m2;

厂房内设有3台悬挂吊车, 最大额定起重量为3t;

12m楼层设有较多大型设备和设备支架, 其中荷载70 t2处, 30t 5处;

5个夹层平台中最大一处荷载80 t;

24m处楼面为组合楼面, 12m处楼面大部分为组合楼面, 主要大型荷载集中在这2处。其他为钢楼面或轻钢屋面。

从图1可以看出, 该结构主要存在的问题在于:12m平台以上为2个共角塔楼, 叠角部位抗震受力复杂;内部夹层较多, 夹层楼面不能假定为刚性楼板, 静力计算法得到部分抗震指标已无参考价值。该结构抗震性能究竟如何, 运用传统计算法很难给出一个比较全面的分析结果。

4 分析软件与计算模型

建模及结构整体计算分析采用中国建筑科学研究院编制的钢结构CAD设计软件PKPM-STS。弹性时程分析采用SATWE, 弹塑性时程分析采用EPDA。

本文钢材的本构关系采用双折线的弹塑性本构关系。梁、柱、支撑单元模型采用纤维束模型模拟, 纤维束模型直接从材料本构关系角度出发来模拟梁、柱、支撑等构件的弹塑性性质。纤维束模型的适用性好, 不受截面形式和材料限制, 被认为是一种较为精确的杆系有限单元模型。计算模型见图1。

5 地震波选取

时程分析过程中, 如何选取正确的地震波相当关键。由于地震记录选择不当, 致使对同一建筑结构物在相同强度下的不同地震输入的计算结果差异很大, 与采用底部剪力法或振型分解反应谱法的计算结果也有很大出入。这种差别可高达数倍乃至数10倍[4]。

正确选择输入的地震波, 要满足地震动三要素的要求, 即频谱特性、有效峰值和持续时间均要符合规定。 (1) 频谱特性可用地震影响系数曲线表征, 依据所处的场地类别和设计地震分组确定。 (2) 加速度的有效峰值按《建筑抗震设计规范》表5.1.2-2中所列地震加速度最大值采用。当结构采用三维空间模型等需要双向 (2个水平向) 或三向 (2个水平和一个竖向) 地震波输入时, 其加速度最大值通常按1 (水平1) ∶0.85 (水平2) ∶0.65 (竖向) 的比例调整。 (3) 输入的地震加速度时程曲线的有效持续时间, 一般从首次达到该时程曲线最大峰值的10%那一点算起, 到最后一点达到最大峰值的10%为止;有效持续时间一般为结构基本周期的5~10倍。

多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比, 在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%。计算结果在结构主方向的平均底部剪力一般不小于振型分解反应谱法计算结果的80%, 每条地震波输入的计算结果不小于65%。但计算结果也不能太大, 每条地震波输入计算不大于135%, 平均不大于120%。

本文从PKPM自带波库初选了特征周期接近的地震波共18条, 其中人工波4条, 天然波14条。分析结果见表1 (有9条天然波计算不满足要求未列出) 。

从表1可以看出: (1) 人工波、天然波与规范谱相比, 人工波与规范谱相近, 离散性小, 4条人工波有3条满足规范要求, 唯一不满足的RH3TG045超出规范值也很小。而天然波则离散性偏大。14条天然波仅3条满足要求。人工波好选, 天然波难满足。 (2) 就单条波来讲, 规范要求地震影响系数曲线主要振型周期点上相差不大于20%和底部剪力与CQC的比值≤1.35, 且≥0.65, 前者比后者较难满足要求, 往往是选波的关键。本次共有3条人工波和3条地震波满足要求, 考虑对震波进行优选组合, 选取平均底部剪力与振型分解反应谱法计算的底部剪力离散度较小的组合。最终选人工波RH2TG045和天然波TH3TG055、OLY1-3。地震波谱与规范谱对比见图2。

6 结构分析

6.1 结构静力弹性分析结果

静力弹性分析结果显示, 结构地震作用最大的方向为-0.56°;主要框架柱在第3层最大控制应力比达到0.96, 其他主要结果参数见表2和图3、图4。

从表2来看, 结构第1振型为X方向平动, 该方向地震作用力也最大, 第3振型为扭转, 扭转周期比0.81。结构整体力学特征相对较好。从图2来看, 主体结构部分层间位移角均在1/1600以下, 仅顶部烟囱支架较大达到1/479, 仍满足《建筑抗震设计规范》 (GB50011—2010) 要求, 其中第8层和第11层位移角曲线突出, 可能是结构薄弱层所在位置。从图3来看, 结构最大基底剪力492.0 k N, 1、2、3层剪力值相当, 与第4层有较大差异, 其原因是主要荷载集中布置在第3层, 1、2层局部仅布置了夹层平台且荷载较小。计算结果与实际受力模型基本相符。

6.2 结构动力弹性时程分析

弹性时程分析结果见表1、图4和图5。

从表1和图4来看, 选取的地震波与规范谱的地震影响系数曲线主要振型周期点上接近。从图5来看, 弹性时程分析计算的位移角曲线与振型分解反应谱法基本相吻合, 各层间位移角数值也与其接近。分析结果基本与振型分解反应谱法一致。规范要求当取3组加速度时程曲线输入时, 计算结果宜取时程法的包络值和振型分解反应谱法的较大值。分析结果显示, 地震力放大系数主体结构最大调整系数在第8层为1.06, 顶部烟囱支架最大调整系数1.13。在调整各层地震力放大系数后, 再次计算配筋, 计算结果显示各楼层和构件并不受地震力作用控制, 各信息参数基本无变化, 与之前计算结果一致, 模型可暂不予调整。

6.3 结构弹塑性时程分析

弹塑性时程分析地震波选取采用弹性时程分析选波方法得到的3条地震波, 即人工波RH2TG045和天然波TH3TG055、OLY1-3。该方法在文献[5]中有较详细的阐述, 本文不再赘述。弹塑性时程分析结果见图6和图7。

从图6来看, 在抗震设防烈度6度大震作用下主体结构位移角基本在1/400以内, 结构基本仍处于弹性状态, 结构抗震性能良好, 仅上部烟囱支架由于鞭梢作用变形较大但仍在规范范围内。从图7来看, 结构薄弱层有3处分别在第1层、第7层和11层。计算结果显示, 在抗震设防烈度6度大震作用下, 3条波均未出现结构塑性铰, 结构始终处于弹性状态。

为了了解该结构的实际抗震承载力, 本文计算分析了结构在抗震设防烈度7度和7度半大震作用下弹塑性状态分布。计算结果显示, 在抗震设防烈度7度大震作用下结构3条波仍未出现塑性铰;在7度半大震作用下, 人工波RH2TG045和天然OLY1-3开始出现塑性铰, 依次是柱间支撑、屋面水平支撑、屋顶烟囱支架梁端节点出现塑性铰, 最后是截面比较小按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》 (CECS102:2002) 控制的门式刚架柱在与柱间支撑和水平联系梁相交处出现平面外的塑性铰, 该层也正是前面分析的薄弱层部位即第7层顶第8层底 (见图8) 。其中, 天然波TH3TG055仅出现数量较少的柱间支撑塑性铰。

分析结果表明, 该结构抗震性能较好。在抗震设防烈度6度大震下仍能保持弹性状态。抗震设防烈度7度大震作用下, 结构最大层间位移角第7层为1/194, 第8层为1/495。抗震设防烈度7度半大震作用下, 最大层间位移角第7层为1/143, 第8层为1/390。抗震设防烈度7度和7度半大震作用下结构延性较好, 塑性铰出现先后顺序合理, 竖向支撑和水平支撑起到了较好的抗震耗能作用。

7 结论

本文对结构依次进行了静力计算分析、弹性时程分析和弹塑性时程分析。分析结果表明:

1) 抗震设防烈度6度小震作用下, 该结构弹性时程分析补充计算的结果与振型分解反应谱法结果基本一致。究其原因是低烈度下该结构即便在调整后的地震作用下, 地震作用仍不起控制作用, 结构主要由恒、活、风荷载控制。

2) 抗震设防烈度6度大震作用下, 结构仍基本处于弹性状态, 该结构整体抗震性能较好, 即便叠角部位也始终未出现塑性铰和薄弱构件。究其原因是钢结构材料抗震延性较好;结构支撑布置科学合理。竖向钢支撑能大幅度增大结构侧向刚度, 减小结构变形, 将地震力以最直接的方式传至基础, 减小地震力对结构的危害。水平钢支撑可以增大楼面和屋面的平面内刚度, 对结构竖向构件有较好的约束作用, 确保结构有较好的整体性。结构塑性铰出现先后顺序合理, 竖向支撑和水平支撑起到了较好的抗震耗能作用。

3) 对于有重型荷载或荷载比较集中的楼面和屋面, 往往是产生薄弱层的部位, 需要对该部位采取加强措施, 比如采用组合楼板来增大楼面刚度, 增设竖向支撑来加大层间侧向刚度等;对于屋顶突出的结构由于鞭梢作用, 在地震作用下往往变形很大, 可以采取增大其侧向刚度或采用斜拉方法约束其变形, 防止变形过大而破坏。

4) 静力计算分析法简便易行但有其局限性, 运用弹性时程分析法可以对静力计算法进行补充计算。从分析结果来看, 弹塑性时程分析法对于分析判断该类结构抗震性能相对更准确更全面。

摘要:在工业建筑设计中, 有时会出现厂房内部因设置多个夹层平台导致厂房建筑平、立面不规则的结构形式。该类结构一般为多或小高层, 虽然建筑高度不高, 但结构相对复杂。底部剪力法和振型分解反应谱法因其自身的局限性并不能对该类结构作出比较全面的抗震性能分析。论文结合工程实例, 运用弹性时程分析法对该类结构进行补充计算分析, 并运用弹塑性时程分析法对振型分解反应谱法和弹性时程分析法计算结果进行校验, 得出该类结构抗震受力性能, 为以后类似结构抗震设计提供参考。

关键词:复杂钢结构厂房,带夹层,弹性时程分析,弹塑性时程分析

参考文献

【1】GB50011—2010建筑抗震设计规范[S].

【2】李国芳, 王中强.带夹层门式刚架厂房设计[J].中外建筑, 2014 (7) :207-209.

【3】李波, 胡少兵, 郭彦林, 等.某钢结构厂房的推覆分析[J].工业建筑, 2 010, 40 (6) :369-371.

【4】王亚勇, 刘小弟, 程民宪.建筑结构时程分析法输入地震波的研究[J].建筑结构学报, 1991 (2) :51-60.

复杂空间钢结构 篇6

关键词:钢结构,施工力学,变形

大型复杂钢结构在实际的建造过程当中, 整体结构的几何形态、刚度以及其所承载的载负荷与边界条件状况, 可依据相应的次序先后而产生, 不同结构状态的物理量在持续改变的过程当中, 所表现出的结构、材料以及边界等方面的时变特性, 均会在“路径”及“时间”效应中对施工阶段及这一阶段结构的受力性能, 产生直接性的影响。因此开展相关的研究工作便具有十分重要的作用与价值, 应当引起相关设计与施工人员的重视与思考, 据此下文之中将主要就目前大型复杂钢结构, 实际施工过程中所表明的诸多亟需解决的施工力学问题, 展开相应的分析与总结, 同时就相关的求解思路与方法展开具体的讨论。

一、施工过程跟踪模拟分析

在大型复杂钢结构的施工过程中, 结构的受力特征主要表现为整体结构的形态特征、刚度以及载负荷以及边缘界限, 均会依循一定的先后顺序依次产生, 在实际的建造过程当中已经安装结构当中所受到的载负荷, 无法于未安装结构当中发生影响作用, 已经安装的结构较之于最新安装的结构而言, 存在有一定的初步变形及初步内力, 在后安装结构在对于现有结构的受力状况以及新安装构件与载负荷, 一旦产生干扰影响, 则整体结构的受力状况将同步发生转变。在整体施工过程当中, 必须要经过一连串的准结构状况, 方能达成最终的竣工要求, 在此期间的结构受力状况同时间存在一定的非线性关系。

在此过程当中所存在的主要困难点包括有:

第一, 结构时变模拟。由于在实际的施工过程进行中, 结构每时每刻都在发生着改变, 在构件不断被安装的同时还伴随着构件的拆除, 所分析目标的求解区间值也在随着时间的推移而发生着相应的增减变化, 即便求解区间值未产生改变, 结构的受力性也存在较大改变的可能性。

第二, 材料时变模拟。在开展施工作业时钢结构材料的性能, 通常不会发生较大的改变, 但是混凝土等材料的性能却会随着时间的推移, 发生较大的改变并且会表现出十分明显的非线性特征。

第三, 边界条件时变模拟。在施工作业时结构边界通常会产生较大的转变。在一些较大跨度的结构中, 于施工的起始阶段释放出一定的自由度, 而后在施工的末尾及成型后再给予约束压力, 能够有效的降低拱桥支撑的结构内力。一般的临时支撑在拆除后, 结构边界会发生持续变化。

二、施工过程锁定内力分析

在行使较为复杂的结构, 亦或是整体施工过程当中结构的受力状况, 存在有较大转变的, 在采用分步成型与一次成型时, 内力差别会发生较为严重的转变, 在实际的设计过程当中应当重点予以考虑, 一般所选用的一次成型法将难以适用, 需要依据所拟定的施工方案来对建筑工程的整体施工过程, 予以全程的跟踪分析, 从而尽可能的采取科学、合理的施工方案来明确施工过程当中结构内力的转变, 以及位行改变的状况乃至在竣工之时锁定结构的内力大小, 以使得这一施工部分能够与其他的载负荷组合, 承受住受力要求。并且在整体的施工建设环节中还应当将以上所得出的分析结论, 作为而后的施工指导, 选用科学严谨的施工方案与具体措施来确保在各种状态下, 结构的内力与位行能够达到设计的标准要求。

在一般的筒中筒高层大型复杂钢结构建筑中, 外筒位置一般是采用钢材结构所搭建, 而内筒部位则是采用混凝土为核心所搭建, 内外两筒采用伸臂桁架搭接而成。此种结构的混凝土部分因收缩形变需花费较长的时间方能完成, 而钢结构外部环境的施工形变则能在较短时间内完成, 此两者的变形差异将给悬伸桁架的安装, 造成极大的困难挑战。为了要确保整体施工结构在完工之后, 内外筒的相连楼层能够大致保持在同一水平面处, 便需要确保悬伸桁架的内部不发生较大的附加内力, 在内外两部分的施工方案设计中, 必须要依托对整体结构的施工分析, 并于混凝土收缩形变完成之后, 再次衔接悬伸桁架腹杆的预留段部分。

三、施工变形与调制的确定

一般在倾斜高层钢结构, 亦或是选用无稳固支撑的大跨度钢结构施工, 其中最为困难的条件是伴随着施工进程的发展, 已安装结构在持续的发生着形变, 这对于新安装构件的安装形变将会产生较大的改变。为了确保在工程项目最终完工之时, 整体结构能够符合最初的设计目标, 在实际的施工环节当中对于各个部分的构件, 必须要在一整套特定的位行当中予以加工及安装, 而这些所特定的位形是无法预知的, 并且同目标位形之间存在相当程度上的差异。因而必须要加强对结构构件在安装过程当中, 位形移动的初步预测与调整, 从而寻找到不同阶段当中构件的安装位行, 并明确出构件的适当加工大小以及具体的安装坐标, 最终以使得结构位形在安装后能够达到最初的设计要求。

四、次构件安装位形的确定

在较大跨度以及倾斜式的高层钢结构建筑中, 施工结构持续的发生着形制转变, 次构件乃至于电梯等相关辅助设备设施的安装位形, 往往无法明确, 必须要借助于具体的数据实例分析才能够加以确定。对于不同区域的次结构, 在实际的安装过程当中具体的位形也有所差别, 对于任一区域之中的次结构, 均必须要依据特定的安装位形来予以加工与安装, 并且伴随着安装顺序的改变会使得在同一区域之中的次结构, 会相对应有相应的安装位形。详细确定出每个区域次结构的安装位形, 能够为加工以及安装供应有十分明显的参考数据。

为了吸收由于主体结构形变所引起的整体形变, 就必须要做好对幕墙支撑钢结构以及主体钢结构间的互相连接与构造关系, 并且在菱形格结构所组成的各个构件, 以及构件同玻璃板块在连接处要留出一定的空隙差。不同位置的菱形格构所设置的空隙差也应当依据具体情况, 而具体分析对待。在实际的施工过程中幕墙安装位形, 取决于主体结构的位形状况, 主体结构的位形变化会伴随着施工步骤的推进而逐步发生改变。

结束语

本文主要就大型复杂钢结构施工过程中, 所主要存在的数个力学问题与应对方法展开了具体的分析与探讨。首先就施工过程的跟踪模拟与锁定内力, 予以了详细的阐述与分析, 而后针对施工变形与调制, 以及次构件的安装位行确定进行了分析与探讨。以上诸类问题均是大型复杂钢结构施工中的基础力学问题, 对这一方面的问题进行深入研究, 不但能够促使施工力学取得一定的进步与发展, 同时也能够有效的推动大型复杂钢结构施工技术的发展。

参考文献

[1]崔晓强, 郭彦林, 叶可明等.大跨度钢结构施工过程的结构分析方法研究[J].工程力学, 2015 (5) .

[2]刘学武, 郭彦林.考虑几何非线性钢结构施工力学分析方法[J].西安建筑科技大学学报 (自然科学版) , 2014 (2) .

[3]傅杰.大型复杂钢结构施工力学及控制新技术的研究与工程应用[J].城市建设理论研究, 2014 (3) .

[4]宋建党.分析大型复杂钢结构施工力学问题与对策[J].城市建筑, 2015 (15) .

复杂空间钢结构 篇7

结构系统失效是指结构系统并未遵循设计要求来实施或完成既定的功能, 但需注意并非所有的结构失效定义均相同, 即结构系统可靠性的分析要求坚持“具体结构具体定义”的原则。目前, 多数工程结构属大型复杂结构系统, 而结构系统失效主要涉及三种情况, 即结构已失效单元数目达到特定值, 此时结构转换成机构;结构已失效单元数目达到特定值, 此时从规范或者经验角度可判定该结构难以承载所加外载;结构整体承载能力或者结构整体失效初次呈下降趋势。就立体车库钢结构而言, 若立柱与载车板支撑悬臂梁的相交刚节点转换成铰节点, 那么便可判定结构系统的使用性能失效, 而连接此类节点的单元统称关键单元或者关键元, 可见立体车库钢结构失效原则可从两大方面进行判定, 即立体车库钢结构的立柱与载车板支撑悬臂梁相交刚节点转换成铰节点;立体车库钢结构的某完全失效路径达到特定长度, 若上述两方面的关系取“或者”, 即两方面不同时成立, 那么该系统失效。

本章节以三层、六层立体车库钢结构系统为例, 试图采用RAPS (可靠性分析软件) 来对钢结构系统失效准则判定的影响因素进行评价分析。若CAP (约界参数) 取0.95, 那么面对失效单元没有达到关键单元的情况, 六层立体车库钢结构失效路径的长度最大可取8, 此时系统转换成机构, 此外三层立体车库失效路径的长度最大可取4。从理论角度而言, 六层钢结构的复杂性较三层钢结构更明显, 同时六层钢结构的冗余度也较三层钢结构更高, 如此六层钢结构失效的可能性便更小, 所以六层钢结构的失效路径应更长些。就三层立体车库钢结构而言, 若CAP取0.95, 那么失效路径允许取4, 但若此时CAP取0.92, 那么单元刚度矩阵元素主对角元素归零, 另外若此时失效路径取3, 那么分析结果完全正常。若CAP取0.88, 失效路径取3, 注意有限元计算前需进行释放约束处理, 那么单刚矩阵主对角元素再次归零, 此时若调小失效路径, 那么分析记过也再次恢复正常。由此可见, 若CAP取小, 那么失效模式的数量必定增加, 如此失效单元的数目及释放约束的单元也有所增加, 此外结构系统也更有可能转换成机构。

综上所述, 三层立体车库钢结构的CAP取0.95, 那么失效路径取4;CAP取0.92, 那么失效路径取3;六层立体车库钢结构的CAP取0.95, 那么失效路径取8;CAP取0.92, 那么失效路径取7, 可见CAP的取值与失效路径的长度间存有关系, 即失效路径的长度随着CAP的取值的增大而变大。

二、钢结构系统可靠性分析计算结果的影响因素

本章节以六层立体车库钢结构系统为例, 分别分析失效路径的长度、约界参数CAP对钢结构可靠性的影响。

(一) 失效路径的长度对钢结构可靠性的影响

针对六层立体车库钢结构系统而言, 若CAP取0.98、失效路径取6, 那么结构可靠性的部分分析结果如下:失效路径75→54→53→71→67→79、模式失效概率3.30336214532378E-05;失效路径75→54→53→71→79→47、模式失效概率3.30336214532378E-05。若失效路径更换成8, 那么结构系统势必转换成机构。若失效路径取7、CAP取0.98, 那么结构可靠性的部分分析结果如下:失效路径75→54→53→71→67→79→47、模式失效概率3.30127635287392E-05;失效路径75→54→53→71→67→79-→48、模式失效概率3.30127635287392E-05。结合上述分析结果可知, 若失效模式数及系统的失效概率均随着失效路径取值的增大而减少, 可见失效路径势必影响着系统的失效概率, 因此针对六层立体车库钢结构而言, 若CAP取0.98, 那么失效路径应取7。

(二) 约界参数CAP对钢结构可靠性的影响

针对六层立体车库钢结构而言, 若CAP取0.95, 那么结构系统可靠性的部分分析结果如下:失效路径67→48→47→71→53→54、模式失效概率3.30336215397242E-05;失效路径67→48→47→71→79→54、模式失效概率3.30336215397242E-05。与CAP取0.98、失效路径取6的情况相比较可知, 结构系统的失效概率随着约界参数CAP取值的增大而减小, 同时结构系统的可靠性呈增大趋势。若相关条件不发生变化, 那么结构可靠性的分析要求CAP视精度的要求进行取值。但需注意, CAP是指失效元的选择范围, 因此研究对象的不同决定着所取数值亦不同, 其中CAP的取值必须合理, 以免取值过大或过小对分析结果造成不良影响。

结语

综上所述, 针对大型复杂钢结构系统的可靠性而言, 必须根据工程结构的实际情况选用适宜的分析计算方法, 以确保分析计算结果的精准性。本文主要从钢结构系统失效准则判定及钢结构系统可靠性分析计算结果两方面分析了大型复杂机械钢结构系统可靠性的影响因素。研究表明, 针对相同的结构, 不同的约界参数CAP势必导致结构系统的失效模式有所不同, 但针对相同约界参数CAP、不同结构参数的情况, 其所对应的主要失效模式势必存有较大差异, 同时若结构层数变大, 主要失效模式数也随之增大。

摘要:目前, 钢结构系统已被广泛应用到国民经济发展领域, 其属系统的关键承载受力部分。本文围绕大型复杂钢结构系统展开论述, 以期探索出更适用的现代方法来分析大型复杂房结构系统的可靠性。

关键词:钢结构系统,失效准则,可靠性

参考文献

[1]杨瑞刚, 徐格宁, 吕明, 等.基于未确知信息的复杂结构能度可靠性分析[J].中国机械工程, 2008, 19 (21) :2577-2581.

[2]杨瑞刚, 徐格宁.大型钢结构系统失效模式和失效准则的影响因素分析[J].起重运输机械, 2008 (03) :65-68.

[3]杨瑞刚, 徐格宁.基于神经网络方法模拟的立体车库钢结构系统失效概率分析[J].建筑机械 (上半月) , 2008 (04) :71-75.

[4]袁松.简析影响大型机械钢结构系统可靠性的因素[J].城市建设理论研究 (电子版) , 2012 (36) .

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