钢结构单层网壳设计本科学位论文

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钢结构单层网壳设计

――某椭球面网壳设计

学生梁江浩(专业：土木工程学院建筑工程专业)

指导教师郭小农(单位：土木工程学院建筑工程系)

【摘要】单层钢结构网壳外形美观，结构新颖，是一种国内外颇受关注、有广阔发展前景的空间结构。网壳结构有如下特点：

(1)网壳结构的杆件主要承受轴力，结构内力分布比较均匀，应力峰值较小，因此可以充分发挥材料强度作用。

(2)由于它可以采用各种壳体结构的曲面形式，在外观上可以与薄壳结构一样具有丰富的造型，无论是建筑平面或建筑形体，网壳结构能给设计人员以充分的设计自由和想象空间，通过使结构动静对比、明暗对比、虚实对比，把建筑美与结构美有机地结合起来，使建筑更易于与环境相协调。

(3)网壳结构中网格的杆件可以用直杆代替曲杆，即以折面代替曲面，如果杆件布置和构造处理得当，可以具有与薄壳结构相似的良好的受力性能。同时，又便于工厂制造和现场安装，在构造和施工方法上具有与平板网架结构相同的优越性。

本设计是以工程实例为背景，完成一个的单层钢网壳设计。网壳型式是椭球型网壳，底面为30m*20m的椭圆，矢高为10m。结构是肋环形网壳，网壳的地点在天津。本设计的实施过程如下：

(1)进行钢结构网壳空间建模：完成结构选型和网格划分,首先用3D3S生成一个尺寸相同的肋环形网壳，然后手动删改生成网壳的区格构件，使得每根构件的长度大致处于1.5m-2.2m，这样结构的网格更加合理，方便玻璃的制作与安装，结构本身也更加美观；

(2)进行结构内力分析：完成荷载输入、杆件截面选择。内力计算使用3D3S软件，但是其中荷载的导算是人工完成，由于荷载规范中网壳的风载体型系数较为复杂，软件并不能很好的导算。因此借助于ANSYS中的编程功能，读入3D3S生成的模型数据，在依据规范的公式，计算出导算好的节点荷载，并写出适用于3D3S和ANSYS 的荷载文件；

(3)构件设计：计算长度根据网壳结构技术规程得出，杆件采用热扎无缝钢管114*4.0和95*4.0，电算后再任选一根构件，利用3D3S得到的杆件内力，进行手动验算；

(5)节点设计：本网壳中节点采用焊接球节点，采用两种焊接球：200*8的不带肋空心球节点和300*12的带肋空心球节点，电算选择球类型，然后根据网壳结构技术规程的计算方法任选一个球节点手算。

(6)结构整体稳定性分析，首先进行线性屈曲分析，得到屈曲模态，以此选定初始缺陷然后进行几何非线性整体稳定性分析，并且进行同时考虑材料非线性的整体稳定性分析；

(7)施工图绘制，大概共绘制10张A2图，其中手绘2张；

(8)计算书整理。

【关键词】单层网壳；整体稳定；大跨空间结构。

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Design of steel single-layer reticulated shell

––an ellipsoid reticulated shell

Author LIANG Jiang Hao

(Major: Civil Engineering)

Supervisor GUO Xiao Nong

(Department: Building Engineering)

【Abstract】

Single-layer reticulated steel shell is pleasing in appearance, and is a popular at home and abroad.There are broad prospects for development of the spatial structure. Reticulated shell structures have the following characteristics:

1 .The member of reticulated shell is under axisial force mainly.

2 .Reticulated shell can have Rich appearance.

3 .Reticulated shell is easy to construct.

Design tasks:

(1)Spatial modeling of reticulated shells, including structure shaping and meshing;

(2)Stress analysis;

(3)Element design, including determining effective calculation length and section design;

(4)Details design;

(5)Global stability analysis;

(6)Construction drawing;

(7)Calculation sheet arrange.

【Keyword】global stability, large-span spatial structure ,single-layer reticulated shell……

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目录

1 设计概况 (1)

2结构模型 (1)

2.1 计算简图 (1)

2.2 结构几何信息 (1)

2.3 结构荷载信息 (1)

2.3.1恒荷载 (1)

2.3.2活荷载 (2)

2.3.3风荷载 (2)

2.3.4地震荷载 (3)

2.4 荷载组合 (4)

3结构计算 (4)

3.1 内力计算结果 (4)

3.1.1 各个杆件的最不利内力及对应组合 (5)

3.1.2 各效应组合下最大支座反力 (5)

3.1.3内力统计 (5)

3.2 位移计算结果 (7)

3.2.1 工况位移 (7)

3.2.2 组合位移 (8)

3.3自振特性 (9)

3.4 设计验算结果 (10)

4 手算部分 (10)

4.1任选一个单元按压弯构件进行手算 (10)

4.2焊接空心球节点 (12)

4.3 支座节点验算 (13)

5整体稳定分析 (15)

5.1分析方法和步骤 (15)

5.2计算软件和计算内容 (16)

5.3 部分程序代码 (16)

5.4 计算结果 (20)

5.4.1 线性屈曲分析计算结果 (20)

5.4.2 非线性稳定分析计算结果 (22)

参考文献 (27)

谢辞 (28)

附录 (29)

附1.1 各节点信息 (29)

附1.2 以下为节点荷载汇总 (37)

附1.3 最不利内力 (62)

附1.4 各效应组合下最大支座反力 (71)

附1.5 工况位移图 (74)