游泳馆大跨空间结构网壳与网架结构毕业设计.docx

'哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）游泳馆大跨空间结构网壳与网架结构毕业设计目录摘要IAbstractII目录1绪论3第1章建筑设计41.1游泳跳水馆建筑发展概述41.2游泳馆建筑设计51.2.1游泳馆基地选择和设计原则51.2.2游泳馆的总平面设计51.2.3游泳馆的房间组成和人流组织61.2.4游泳馆观众厅场地设计81.2.5游泳馆观众厅观众席设计91.2.6其他用房设计10第2章结构设计132.1概述132.2结构体系与选型132.3网壳结构计算162.3.1屋面板种类及选用162.3.2檩条的选择与计算172.3.3网壳计算方法简述192.3.4网壳的内力计算和杆件截面选择212.3.5网壳节点设计342.3.6网壳支座节点设计372.3.7网壳的经济性分析382.4看台框架设计48121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）2.4.1看台框架结构选型482.4.2荷载汇集502.4.3内力计算562.4.4配筋计算68第3章地基基础设计803.1工程地质资料803.2基础设计833.2.1基础介绍以及选型833.2.2柱1的基础设计833.2.3柱2的基础设计833.2.4地基沉降验算83总结与体会83致谢83参考文献83附录1网壳空心球节点型号83附录2网壳杆件型号83121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）绪论随着我国社会生产力的不断发展，人们的物质生活水平不断提高，随之而来，人们对精神文明的发展、国民的身体素质、对自身的健康需求提出了更高的要求。建国以来，尤其是改革开放以来，我国的体育事业蓬勃发展，各类体育场馆也如雨后春笋般，在全国各地兴建起来。为加快哈尔滨体育设施的建设，拟在哈尔滨市区建一座比赛游泳馆，内设有21m×25m的比赛游泳池和1m、3m、5m、7.5m、10m组合跳台各一座。设有1800座观众席和400座运动员观摩席。馆内另设运动员更衣间、沐浴间、厕所、检录处、陆上训练房、灯光控制室、扩音机房、暖通机房、电梯机房、水处理间及电视转播室、贵宾休息室、首长更衣淋浴间等。本设计包括三部分：建筑设计、结构设计、基础设计。建筑设计方面要求：根据场地总体规划布置游泳馆方位；建筑造型体现体育建筑特点，力求简洁大方，新颖明快，和周围的环境相互协调；选择合理的建筑方案和结构方案，绘制建筑平、立、剖面图。结构设计方面要求：主体结构采用钢结构；完成结构的总体布置，绘出承重构件平面布置图，结构纵横剖面图；进行主要承重结构计算。基础设计方面要求：选择合理的基础形式，设计基础的尺寸；进行基础抗冲切验算、抗弯设计、配筋计算以及沉降验算。121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第1章建筑设计1.1游泳跳水馆建筑发展概述游泳运动最早出现在我国是《诗经》中：“就其深矣，方之舟之；就其浅矣，泳之游之。”其意为：遇到水深的地方就乘木筏，或乘船摆渡过去，而在水浅的地方就潜水或浮水渡过去。宋代学者朱熹对“泳之游之”注释为：潜行曰泳，浮水曰游。而跳水运动呢，宋《东京梦华录》中有“…一人上嫩秋千，将平架，筋斗掷于水中谓水秋千”，意思是一种名为“水秋千”的跳水运动，就是在大船上立一个高大的秋千，表演者在秋千荡到与秋千架一样高的瞬间从高空中一个跟头下来，扎入水中，秋千在这里起一种活动跳台的作用，相当于现在的跳水板。由此可见，早期的游泳跳水运动主要是滨水而居的人们由于受到自然江河湖海环境的影响学会了游泳跳水运动，而自然江河湖海为他们提供了天然的游泳跳水场所。到了我国近代，鸦片战争以后，西方近代竞技体育作为文化传入中国，近代游泳运动于19世纪末在中国沿海如香港、广东、福建、上海、青岛、旅顺、大连等地相继开展起来。1909年上海终于建成了第一座中国人自己的竞技游泳池，并规定每年进行一次竞技游泳比赛。新中国成立以后，我国游泳跳水馆建筑才开始复苏兴建。80年代由于经济的腾飞和各项体育事业、体育训练、体育比赛的大力发展，需要大量的室内游泳跳水训练馆，到1982年底，我国有室内游泳池110个，游泳馆13个，天然游泳池177个。这一时期主要兴建的大型经济游泳竞技馆有：四川省游泳馆，上海游泳馆，广州天河体育中心天河游泳馆，北京国奥中心英东游泳馆等。90年代随着我国国民经济的飞速发展，各类竞技游泳运动也开展蓬蓬勃勃，促使了大量现代化游泳馆的兴建和改建，促动了游泳运动事业的提升。这一时期有代表性的经济游泳馆有：珠海市体育中心游泳馆，北京市体委跳水、游泳训练馆，上海浦东游泳馆等。进入21世纪，随着“游泳锦标赛”、“五城会”、“九、十运会”、“2008奥运会”等各项体育竞赛举行，竞技游泳跳水建筑的建设到达了新一轮的高峰。这一时期有代表性的竞技游泳馆有：福建省游泳馆，汕头游泳馆，深圳游泳跳水馆，湖南省游泳跳水中心，南京奥体中心游泳馆，中国国家游泳中心等。这些新建的游泳跳水建筑121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）在设计理念、理论研究上到达了一个新的高度。国外游泳活动也与中国古代游泳活动的起源一样是源于生存觅食的需求，多利用江河、湖、海等天然水域进行。在埃及、古印度、古希腊时期就有专门的人工游泳池了，这一时期的游泳运动训练除了用于满足人们娱乐外，还用于各种竞技活动，和各种军事技能训练。在这一时期最有代表性的游泳馆建筑是罗马著名的卡拉卡拉浴场，占地575m×363m，中央是可供1600人同时沐浴的主体建筑。可以这么说，近代奥林匹克运动的历史就是国外近代游泳跳水馆建筑的历史。游泳跳水馆建筑的真正发展应该是在19世纪下半叶，伴随着近现代奥林匹克运动圣火的点燃，游泳跳水馆建筑也迅速发展起来。1.1游泳馆建筑设计1.1.1游泳馆基地选择和设计原则游泳馆宜建于环境优美、位置适中的公园以及居住区中心绿地内，四周有植被，无严重的空气污染，防风、防尘的地方。应选在交通方表，位置适中，有足够用地，供、排水方便的地方。基地应选在无噪声干扰的地方。游泳馆的设计应注意安全、卫生，入池前要经过消毒池和强制淋浴的清洗，入池后游泳者在池内造成的悬浮水面的污水应及时排出。池岸要便于清洗，池壁应光洁有利于清洗，池岸、池底面层应不滑。室外池的长轴应选在南北朝向，特别是比赛池，应使运动员不产生炫目。跳水池的台、板在北半球时朝北，南半球时朝南。室内游泳池应注意冬季屋盖吊顶凝结水的排除，以免由于室内外温差过大凝结水无组织的下落。游泳馆内由于潮湿空气对建筑主体结构的侵蚀，应注意防潮和防腐。屋面要采取保温、隔热措施，防止结露现象对电器设备的影响。游泳馆应有厕所、浴室、更衣室、存衣柜、小买、广播照明控制室、摄像机房的用房。1.1.2游泳馆的总平面设计由于游泳馆一般都需要接纳大量观众及运动员等其他人员，并在同一时间内进行集散，因此游泳馆总平面布置应注意合理安排疏散口与道路的关系，121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）便于人流、车流的疏散，在总平面设计时常把观众使用部分与贵宾、运动员、管理人员、记者等的使用部分进行明确功能分区，以避免它们之间人流和车流的相互干扰，但还需注意它们之间能够联系方便。游泳馆外应设观众疏散缓冲用地和停放汽车、自行车场地。本游泳馆以哈尔滨八区游泳馆的实际地段作为设计的依据。考虑到以上总平面设计的要求，本游泳馆在场地长轴方向留有足够的观众疏散缓冲用地的车辆停放场地，并且与主要街道迎宾路联系方便。初步确定正门北向，正对主要街道。柱网为8.1m×7.2m，南北方向十五格，东西方向十格，其中东西方向插有小柱网格。1.1.1游泳馆的房间组成和人流组织1.1.1.1游泳馆的房间组成不同的人员对游泳馆的使用有着不同的要求。在使用游泳馆的过程中，不同人员有时聚集在同一个空间，有时则分散到各自房间。不同人流的集散路线和各个空间的组合，都有它的规律性。各自既有相对的独立性，又相互联系，按一定的功能使用要求组合在一起。游泳馆的房间组成可分为两大部分：一部分是观众厅，包括场地、观众席（包括普通观众席和贵宾观众席）；另一部分是其他辅助用房，包括观众用房、群众用房、贵宾用房、运动员用房以及技术设备用房。其房间组成见图1-1：121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）图1-11.1.1.1游泳馆的人流组织人流组织的核心是避免互相相互干扰，使各个流线人流畅通。要解决的中心问题是观众人流与其他人流隔开。其主要方法是设专用观众出入口通、道或楼梯。工作人员、运动员、贵宾设专用通道和入口。行之有效的作法是121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）观众入口设在二层，从竖向分流。本设计主要的人流流线分析如下：1、观众人流流线：观众人流是游泳馆的主要人流。观众通过东西两侧室外楼梯经检票口达到观众休息大厅，然后通过疏散通道至观众厅的观众席内。休息大厅设有厕所、小卖部等。2、运动员人流流线：运动员有两个流线运动员从东西两侧运动员入口至室内休息室，通过室内楼梯可以直达运动员观摩席；第二个流线是运动员从入口到休息室、路上训练房、更衣室、沐浴间再经检录处进入比赛场地。3、贵宾人流流线：贵宾由西侧贵宾入口进入贵宾休息室，贵宾休息室外有楼梯通至二楼观摩席。4、工作人员人流流线：工作人员包括为比赛服务得工作人员和后勤管理人员，应设有单独的出入口，并能与全馆各处有方便的联系。工作人员在东西侧都有入口，可以直接通到一层的管理室、办公室，通过楼梯均能至二层得办公地点。5、裁判人流流线：裁判由东侧裁判员入口至裁判休息室，再到裁判工作室。6、平时游泳群众：游泳群众由东西两个侧入口至休息大厅，在服务台买完票后经走廊到更衣室和沐浴间再到游泳场地。当游泳人数多时，可开放运动员使用的更衣室沐浴间供群众使用。1.1.1游泳馆观众厅场地设计观众厅场地的大小是指观众席所包围的范围。它有比赛场地和缓冲地带两部分组成。场地的规模应根据使用要求合理确定，若确定的场地过小，则造成平时使用时过于拥挤，且不满足比赛时游泳池及跳水池的周边尺寸的要求；若确定的场地过大，虽然缓冲地带的面积增大了，但会增大屋盖的跨度，造成浪费。正式比赛的游泳池和跳水池边缘的缓冲地带的宽度不少于5米，并且游泳池和跳水池的间距不少于10米。根据以上的设计要求，本游泳馆的游泳池和跳水池采用“一”字型布置。这种布置得优点在于结构简单、平面紧凑、管理方便，适用于矩形用地。场地布置简图见图1-2：121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）图1-21.1.1游泳馆观众厅观众席设计观众席设计的目的是要使观众取得良好的视觉质量，还要使观众集散符合安全疏散的要求。主要包括看台平面设计、看台剖面视线设计和安全疏散设计。1.1.1.1看台平面设计正规比赛场不设站席均为坐席，普通坐席宽420～500mm，排深650～700mm;贵宾坐席宽600mm，深850～1000mm。由于本游泳馆设计要求设置的座位一共为2200座左右，属于中型馆，选用看台为两侧各900观众席和一侧200运动员观摩席的两侧布置方案。国外不少体育场馆不专设主席台，有贵宾是可在最好看台部位用栏杆围部分专用座席供贵宾使用，平时仍将这些好座席供普通观众使用。因此本设计统一取坐席宽500mm，深800mm，平台每阶高490mm。1.1.1.2看台剖面视线设计跳水池视线设计的视点选择应在距观众最近的跳板或跳台的中心垂线与水面的交点，游泳池的视点选择在边道外测泳线上距池边500mm的水面上。本设计中首排观众至池边距离为7米，第一排踏面高h，3/5＝h/7所以h＝4.2m，观众眼睛至池面高度为h－0.3m＝3.9m。第一排台阶面至池岸面高为3.9m－0.8m＝3.1m。由于看台的排数只有10排，所以选择用几何做图的方法检查是否满足视线的要求，最后确定的第一排台阶面至池岸面高为3.35m，视线图见图1-3：121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）图1-31.1.1.1安全疏散设计引用建筑设计防火规范（GBJ16—87）对民用建筑中体育馆的规定（对游泳馆没有专门规定）1、体育馆观众厅安全出入口的数量不应少于两个，且每个安全出入口的平均疏散人数不宜超过400～700人。疏散走道宽度应按其通过人数每百人不小于0.6m计算，最小不小于1m，边走道不小于0.8m。横走道之间座位排数不宜超过20排。纵走道之间的作为数不宜超过26个。此设计中安全出入口共14个，疏散走道的最小宽度为1m，横走道之间的座位排数最多为10排，纵走道之间的座位数最多为18个，故满足要求。2、观众厅的入场门、太平门不应设置门槛。其宽度不应小于1.4M，紧靠门口1.4M不应设置踏步，太平门应为平推式外开门。本游泳馆设计耐火等级为一级，允许疏散时间取4分钟，观众人数为3000人，单股人流通行能力取40人/股·分钟，每股人流通行宽度取0.5m/股，所以所需疏散口的总宽度为：本游泳馆设计中观众厅一共14个安全疏散口，每个宽1.8m，共宽，大于6.875m，故满足安全疏散的要求。121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）1.1.1其他用房设计其他用房是指除观众厅以外的用房，包括观众、贵宾、运动员、裁判员、新闻工作者以及服务管理工作人员等用房。1.1.1.1观众用房1、休息厅休息厅是观众进场和中间休息的场所，它应与观众厅直接联系，休息厅与服务管理人员用房要有方便的联系，应设有工作人员用的通到。休息厅得布置应与观众厅座席得分布情况相适应，面积宜相对集中，以方便管理，设在同一层时应连成一体，以利于使用。休息厅的面积可按每席0.2～0.3m2计算，本游泳馆设计取每席0.3m2，则观众休息大厅需要的面积为：，实际观众休息大厅的面积为：，故满足要求。2、厕所厕所设在休息厅内。必须注意解决好厕所通风问题，没有机械通风的观众厕所，应有直接对外的窗户，有机械通风时可设暗厕。厕所面积及卫生洁具得数量参考值为：观众每1000人，男厕面积35m2，大便器4个，小便斗7个：女厕面积28m2，大便器6个，男女比例取2：1。本游泳馆设计需要：男厕，包括大便器，小便斗；女厕，包括大便器。实际男厕面积为：，包括大便器，小便斗；女厕实际面积为：，包括大便器。故满足要求。3、小卖部小卖部应根据场馆规模采用集中与分散两种方式布局，且应设于休息厅内，兼顾观众使用、进货存贮方便。数量可以灵活确定，不宜过分集中。本游泳馆一共布置两处小卖部，一处商铺，均设于二楼。1.1.1.2群众用房121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）1、休息厅与厕所参考1.2.6.1中的设计，一般满足要求。2、更衣淋浴间更衣淋浴间分设男、女，每套设更衣柜、喷头、厕所、浸脚池等设施。本游泳馆为群众提供更衣淋浴间男、女各一套，当游泳人数多时，可开放运动员使用的更衣室沐浴间供群众使用。其中一套更衣沐浴间包括更衣柜172个，双层放置高1.8m，宽300mm，进深600mm；喷头数目为46个，规格为；浸脚池规格为。1.1.1.1贵宾用房贵宾用房应与观众、运动员、记者和工作人员用房严格分开，但有方便的联系。休息室的面积指标可控制在0.5～1.0m2/每位贵宾。本游泳馆在一层设有一贵宾室和一首长休息室。贵宾室的面积为；首长休息室的面积为，其中还设有独立的厕所与更易沐浴间。1.1.1.2运动员用房1、更易沐浴间本游泳馆设计中运动员的更易沐浴间与群众使用的更衣沐浴间的规格一致，也是男女各一套。2、陆上训练房陆上训练房内设置各种健身器械供运动员使用。本游泳馆设置了男、女陆上训练房各一间，每间的面积为。3、运动员休息室本游泳馆在一层设置了若干间运动员休息室，考虑到运动员集训时可以直接居住于游泳馆内，这样更方便于练习。每间运动员休息室的面积为。4、检录处检录处是运动员赛前点名、赛后登记成绩的场所，一般布置在比赛场地入口处。本游泳馆设计的检录处位于跳水池与训练池之间，男女合用一个检录处，面积为。1.1.1.3裁判用房一般体育场馆可不设裁判用房，可设一些机动房间，临时作为裁判员休息、更衣室，对有全省、全国或国际性大型比赛任务的场馆应设裁判员用房。121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）本游泳馆设计实际设有男、女裁判用房面积共。其余各种用房的具体布置与尺寸参考本游泳馆的建筑施工图。121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第1章结构设计1.1概述近二十余年来，各种类型的大跨空间结构在美、日、欧等发达国家发展很快。建筑物的跨度和规模越来越大，目前，尺度达150m以上的超大规模建筑已非个别；结构形式丰富多彩，采用了许多新材料和新技术，发展了许多新的空间结构形式。例如1975年建成的美国新奥尔良“超级穹顶”（Superdome），直径207m，长期被认为是世界上最大的球面网壳；现在这一地位已被1993年建成夏径为222m的日本福冈体育馆所取代，但后者更著名的特点是它的可开合性：它的球形屋盖由三块可旋转的扇形网壳组成，扇形沿圆周导轨移动，体育馆即可呈全封闭、开启1／3或开启2／3等不同状态。美国亚特兰大为1996年奥运会修建的“佐治亚穹顶”（GeogiaDome，1992年建成）采用新颖的整体张拉式索一膜结构，其准椭圆形平面的轮廓尺寸达192mX241m。许多宏伟而富有特色的大跨度建筑已成为当地的象征性标志和著名的人文景观。可以这样说，大跨空间结构是最近三十多年来发展最快的结构形式。我国大跨度空间结构的基础原来比较薄弱，但随着国家经济实力的增强和社会发展的需要，近十余年来也取得了比较迅猛的发展。工程实践的数量较多，空间结构的类型和形式逐渐趋向多样化，相应的理论研究和设计技术也逐步完善。以北京亚运会（1990）、哈尔滨冬季亚运会（1996）、上海八运会（1997）的许多体育建筑为代表的一系列大跨空间结构——作为我国建筑科技进步的某种象征在国内外都取得了一定影响。种种迹象说明，我国虽然尚是一个发展中国家，但由于国大人多，随着国力的不断增强，要建造更多更大的体育、休闲、展览、航空港、机库等大空间和超大空间建筑物的需求十分旺盛，而且这种需求量在一定程度上可能超过许多发达国家。这是我国空间结构领域面临的巨大机遇。1.2结构体系与选型根据建筑设计，本体育馆屋盖结构采用三种，其中主大厅（跳水池与比121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）赛池）上空的屋盖结构，面积为97.2x57.6m，采用大跨结构。屋盖选用正方抽空四角锥双层柱面网壳。1．柱网布置。体育馆总平面尺寸为97.2x57.6m，分别采用8.1m和7.2m柱距，柱网布置简图如下：图1-42．框架及看台结构选型。框架结构层高分别为4.2m和4.45m，看台距离比赛场地起2.87m的高度，其最高出标高＋8.65m，采用梁式楼梯的形式做看台，看台踏步平均高度为490mm，宽800mm。具体形状如下图所示：图1-5121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）3．屋盖结构构思采用双层柱面网壳，选型：网壳结构的选型要考虑跨度的大小、刚度的要求、平面形状、支撑条件、制作安装及技术经济指标等因素才能综合决定。1）由于跨度较大，且为双层网壳，故采用铰接节点。2）为使柱面网壳结构的刚度选取适当，受力较为合理，网壳的平面尺寸、失高大小、双层网壳的厚度应在以下选取范围内：B/L<1f/B=1/3~1/6h/B=1/20~1/50对于本工程计算结果如下：f＝9.6~12mh=1.15~2.88m（B=57.6mL=97.2m）3)网壳结构除竖向反力外，通常有较大的水平反力，应在网壳边界设置边缘构件来承受这些反力，比如横隔。网壳形式：采用正放四角锥柱面网壳。采用原因是其拥有杆件品种少，节点构造简单，刚度大，是目前最常用的形式之一。网格划分：以下是我做的网格划分的简单图示（选取的f＝6m，h＝2.5m，纵向按4.05m分格，横向均分17格，上弦网格大小为，下弦网格为）图1-64．檩条的选择檩条宜优先采用实腹式构件，也可采用空腹式或格构式构件。檩条一般设计为单跨简支构件，实腹式檩条也可设计成连续构件。本结构采用实腹式121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）简支构件。由于檩条间距和跨度都比较小，初步拟选冷弯包庇型钢构件。1.1网壳结构计算1.1.1屋面板种类及选用屋面板选用压型钢板，双层，两层压型钢板之间填充岩棉保温隔热。压型钢板是用厚度为0.4—2.0的薄钢板经冷轧或冲压成型。由于其自重轻、强度高、刚度大、防水抗震好，施工安装方便，易于维护更新，在屋面板选用中被大量采用。压型钢板钢材强度一般为Q215或Q235钢，在选用时应保证其抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯试验及碳磷硫含量合格。在连接是一般采用的连接件有钩头螺栓、拉柳钉、自攻螺丝、单向固定螺栓、单向连接螺栓等。压型钢板的构造：1.坡度在1/6—1/20时选用长尺压型钢板（长尺指起重机能吊起的最大长度的压型钢板）；坡度在1/3—1/5时选用短尺压型钢板。2.搭接长度：半波或一波半。侧向搭接方向应与主导风向一致。避免四块板在同一部位搭接，不利防水。压型钢板选用计算过程：恒荷：压型钢板自重活荷：屋面均布活荷雪荷施工检修荷载活荷取三者中大值：121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）即：根据、查压型钢板截面特性表选用型号的压型钢板；下层压型钢板基本只有自身重力作用，故不用计算，直接选用型号的压型钢板。1.1.1檩条的选择与计算屋盖中檩条用钢量所占比例较大，因此合理选择檩条形式、截面和间距，以减少檩条用钢量，对减轻屋盖重量、节约钢材有重要意义。檩条通常是双向弯曲构件，分实腹式和桁架式两大类。后者制造费工，应用较少。　　实腹式檩条常采用槽钢、角钢以及Z形和槽形冷弯薄壁型钢。槽钢檩条应用普遍，其制作、运输和安装均较简便；但普通型钢壁较厚，材料不能充分发挥作用，故用钢量较大；薄壁型钢檩条受力合理，用钢量少，在材料有来源时宜优先采用，但防锈要求较高。实腹式檩条常用于屋架间距不超过6m的厂房，其高跨比可取1/35~1/50。当屋架间距大于18m时，宜采用纵横向布置的次梁支撑檩条。檩条设计时，可设计为单跨简支构件，以方便制作安装。檩条计算：1.荷载汇集：恒荷载：双层压型钢板（含岩棉）0.3kN/m2檩条自重0.15kN/m2______________________________________________恒荷载总计：0.45kN/m2活荷载：屋面均布活荷载0.5kN/m2雪荷载0.18kN/m2施工检修荷载1/3.43kN/m2121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）______________________________________________活荷载取三者中大值：0.5kN/m2风荷载：-0.4kN/m2地震荷载：哈尔滨抗震6度设防，可不考虑地震荷载作用。2.计算内容：除檐檩外第一排檩条：初选冷弯薄壁卷边C型钢C200×70×20×2.5，参数如下：h=200b=70a=20t=2.5截面特性：Wx=53.82cm3Wymax=28.18cm3Wymin=11.25cm3每米长的质量7.05kg/m=0.069kN/mkN/mkN/m强度验算：121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）刚度验算：构造要求：檩条之间设拉条以满足整体稳定要求，提高檩条主平面刚度。本设计中于檩条跨中设置一道拉条，拉条设置于下翼缘。验证了檩条在风吸力与永久荷载组合下的稳定：垂直于屋面的风荷载标准值为：弯矩设计值（不计拉条）：根据所选檩条截面和檩条跨度查表（轻型钢结构设计规范，表14-31b）得：，计算稳定：故满足要求。刚度要求：故此檩条在平面内外均满足要求。121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）1.1.1网壳计算方法简述网壳是一种空间汇交杆系结构，杆件之间的连接可假定为铰接，忽略节点刚度的影响，不计次应力对杆件内力所引起的变化。模型实验和工程实践都表明，铰接假定是完全许可的，它所带来的误差可忽略不计，现已为国内外分析计算网壳结构时普遍采用。随着计算机技术和有限元理论的发展，目前以空间杆系模型和有限元方法为基础的空间桁架位移法成为最常用的计算网架网壳结构的方法。空间桁架位移法即空间铰接杆系有限元法，适用于分析不同类型、任意平面和空间形状、具有不同边界条件和支承方式、承受任意荷载的网架网壳，还可以考虑与下部支承结构共同工作，从而分析它们之间的互相影响。这种方法不仅用于网架结构的静力分析，还可用于网架结构的动力分析、温度应力和施工安装阶段的验算。此外，在对网壳结构进行全过程跟踪分析、稳定分析、极限强度分析及优化设计时，空间桁架位移法也是非常有效的。空间桁架位移法基本的计算过程可归纳为以下几步：(1)根据网架结构,荷载对称性选取计算简图,并对其节点和杆件进行编号,为减小总刚矩阵带宽,节点编号应遵循相邻节点号差最小的原则.(2)计算杆件单元长度及杆件与整体坐标轴夹角余弦;(3)初选各杆的截面积;(4)建立局部和整体坐标系下的单元刚度矩阵;(5)集合总刚矩阵,为减小矩阵容量,宜采用变带宽一维存贮方式;(6)建立荷载列阵;(7)引入边界条件对总刚度方程进行处理;(8)求解总刚度方程,得出各节点位移值;(9)根据节点位移计算杆件内力;(10)按杆件内力调整杆件截面,并重新计算,迭代次数宜不超过4～5次.其中有几个地方需特别注意：(1)网架计算基本假定网架的节点为空间铰接节点,杆件只承受轴力;结构材料为完全弹性,在荷载作用下网架变形很小,符合小变形理论.(2)结构分析中为方便杆端力和位移的叠加,应采用统一坐标系,即结构整体坐标xyz.这样需对局部坐标系下的单元刚度矩阵进行坐标转换.121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）(3)总刚矩阵具有下列特点:矩阵具有对称性,计算时不必将所有元素列出,只列出上三角或下三角即可.矩阵具有稀疏性.网架结构每一节点所连杆件数量有限,总刚矩阵中除主对角及其附近元素为非零元素外,其余均为零元素.非零元素集中在主对角线两旁的带状区域内,计算机存贮时,按一维变带宽存放,可有效节省计算机容量,带宽大小与网架节点编号有关,进行网架节点编号时,应尽可能使各相关节点号差值缩小.(4)总刚矩阵中边界条件的处理方法未引入边界条件前,总刚矩阵[K]是奇异的,不能进行求解.引入结构边界条件消除刚体位移后,总刚矩阵为正定矩阵.(5)对称性利用当网架结构(包括支座)和外荷载有n个对称面时,可利用对称条件只分析网架的1/2n.计算时,对称面内各杆件的截面积应取原截面面积的一半,n个对称面交线上的中心竖杆,其截面面积应取原截面面积的1/2n.对称面内节点荷载亦应按相同原则取值.在对称荷载作用下,对称面内网架节点的反对称位移为零,计算时应在相应方向予以约束.与对称面相交的杆件,分析时可将该交点作为一个节点,并在三个方向予以约束.交叉腹杆或人字形腹杆的交叉点,位于对称面时,亦应作为一个节点,并在两个水平方向予以约束.在反对称荷载作用下,对称面内网架节点的对称位移应取为零.(6)边界条件处理有限元计算中,边界条件将对网架结构内力及变形产生较大影响.网架支承处的边界条件既和支座节点构造有关,也和支承结构的刚度有关,支座可以是无侧移,单向可侧移和双向可侧移的铰接支座,支承结构(柱,梁等)可以是刚性或弹性的.当支承结构刚度很大可忽略其变形时,边界条件完全取决于支座构造.无侧移铰接支座,支承节点在竖向,边界线切线和法向都无位移.单向可侧移支座,竖向和边界切线方向位移为零,而边界法向为自由.双向可侧移的铰接支座,只有竖向位移为零,两个水平方向都为自由.121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）(7)斜边界处理斜边界是指与整体坐标斜交的方向有约束的边界。斜边界有两种处理方法，一种是根据边界点的位移约束情况设置具有一定截面积的附加杆，如节点沿边界法线方向位移为零,则该方向设一刚度很大的附加杆；如该节点沿边界法线方向为弹性约束，则调节附加杆的截面积,使之满足弹性约束条件。1.1.1网壳的内力计算和杆件截面选择1.网壳内力采用SAP2000结构有限元分析软件进行求解。SAP2000简介：SAP2000是一款集成化的通用结构分析与设计软件。自从三十前SAP诞生以来，它已经成为最新分析方法的代名词。SAP2000保持了原有产品的传统，具有完善、直观和灵活的界面，为在交通运输、工业、公共事业、运动和其它领域工作的工程师提供无出其右的分析引擎和设计工具。在SAP2000三维图形环境中提供了多种建模、分析和设计选项，且完全在一个集成的图形界面内实现。在今天的市场上SAP2000已经被证实是最具集成化、高效率和实用的通用结构软件。您能够使用SAP2000去完成所有的分析与设计工作，包括日常碰到的小问题，利用内建强大的模板可以完成复杂的建模和网格划分。先进的分析技术提供了：逐步大变形分析、多重P-Delta效应、特征向量和Ritz向量分析、索分析、单拉和单压分析、Buckling屈曲分析、爆炸分析、针对阻尼器、基础隔震和支承塑性的快速非线性分析、用能量方法进行侧移控制和分段施工分析等。SAP2000可以解决的问题包括从简单的二维框架静力分析到复杂的三维非线性动力分析，SAP2000能为所有结构分析和设计提供了解决方案。2.网壳建模：为了快速建立柱面空间杆系网壳的结构模型，在本设计中使用了ATOCAD2007强大的三位绘图功能，建立整个网壳三维结构图形。再利用SAP2000中的数据导入功能，将CAD图形导入形成了SAP2000中的结构模型，再进行属性的定义与赋值，然后计算。CAD绘图建模过程：为了使在SAP2000中杆件节点编码能有序排列，要求我们在CAD建模过程中控制绘图顺序，因为SAP中编码顺序是按CAD中绘图顺序而排序的。在建模的过程中，首先按从左到右，由先至后的顺序绘出所有的下弦杆件，这样导入到SAP中所有下弦杆件的编码顺序固定，查看之后为1—328，所有下弦结点编码为1—281。然后按同样的顺序绘上弦杆，得到所有上弦杆的编码为328—1124，所有上弦结点的编码为121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）282—749。然后绘制腹杆，编码为1125—2248。绘图完成后，保存为.dxf格式的CAD数据交换文件。将CAD模型导入SAP2000并进行属性定义及赋值：需要定义的有材料属性（steel）、框架截面（初选pipeD48T2）、荷载工况（恒荷、活荷及风荷）、荷载组合（可直接选程序里面的钢结构设计默认组合）。定义完之后对框架进行属性赋值，将以上定义的内容赋值给需要的部位。之后进行加支座约束，由于是抽空四角锥体系，因此不释放节点弯矩、扭矩和剪力。设置分析选项中自由度为ux，uy，uz。至此，SAP2000结构建模完成。3.网壳加荷载：上弦节点：恒荷载：双层压型钢板（含岩棉）：檩条自重则中间节点恒荷载值为：边缘支座减半：角区节点再减半：活荷载：屋面均布活荷载雪荷载施工检修荷载活荷载取三者中大值：活荷载按水平方向均匀分布，而每个网格在水平面投影面积不同，因此节点活荷载也不相同，具体见表。风荷载：，，取1.0，中间三分之一跨度取，两侧取为。风压高度变化系数按逐点计算。下弦节点荷载：计算马道灯具等悬挂荷载，取马道0.2kN,灯具0.15kN，则。同样它是沿水平方向上均匀分布，而网格在121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）水平面上的投影面积不等，故需逐点计算。地震荷载：哈尔滨抗震6度设防，可不考虑地震荷载作用。详细情况如下表：下弦节点荷载：JointLoadCaseCoordSysF1F2F3TextTextTextNNN1DEADGLOBAL00-12162DEADGLOBAL00-49123DEADGLOBAL00-50004DEADGLOBAL00-50765DEADGLOBAL00-25686DEADGLOBAL00-51897DEADGLOBAL00-52208DEADGLOBAL00-52409DEADGLOBAL00-263410DEADGLOBAL00-524011DEADGLOBAL00-522012DEADGLOBAL00-518913DEADGLOBAL00-256814DEADGLOBAL00-507615DEADGLOBAL00-500016DEADGLOBAL00-491217DEADGLOBAL00-121618DEADGLOBAL00-243219DEADGLOBAL00-513620DEADGLOBAL00-526821DEADGLOBAL00-513622DEADGLOBAL00-243223DEADGLOBAL00-243224DEADGLOBAL00-982425DEADGLOBAL00-1000026DEADGLOBAL00-1015227DEADGLOBAL00-513628DEADGLOBAL00-1037829DEADGLOBAL00-1044030DEADGLOBAL00-1048031DEADGLOBAL00-526832DEADGLOBAL00-10480121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）33DEADGLOBAL00-1044034DEADGLOBAL00-1037835DEADGLOBAL00-513636DEADGLOBAL00-1015237DEADGLOBAL00-1000038DEADGLOBAL00-982439DEADGLOBAL00-2432其余的下弦节点与上述节点循环相同。其中，节点40~259的荷载与节点18~39循环对应相同，节点260~264的荷载分别与节点18~22对应相同，节点265~281的荷载与节点1~17对应相同。上弦节点荷载：JointLoadCaseCoordSysF1F2F3TextTextTextNNN282DEADGLOBAL00-1032.75282liveyouGLOBAL00-1778.06282windGLOBAL001215.56283DEADGLOBAL00-2065.5283liveyouGLOBAL00-3593.25283windGLOBAL002431.86284DEADGLOBAL00-2065.5284liveyouGLOBAL00-3663.56284windGLOBAL002463.86285DEADGLOBAL00-2065.5285liveyouGLOBAL00-3724.31285windGLOBAL002539.69286DEADGLOBAL00-2065.5286liveyouGLOBAL00-3774.94286windGLOBAL002601.96287DEADGLOBAL00-2065.5287liveyouGLOBAL00-3815.44287windGLOBAL002654.72288DEADGLOBAL00-2065.5288liveyouGLOBAL00-3845.81288windGLOBAL002799289DEADGLOBAL00-2065.5289liveyouGLOBAL00-3866.06289windGLOBAL002826.17290DEADGLOBAL00-2065.5121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）290liveyouGLOBAL00-3876.19290windGLOBAL002840.12291DEADGLOBAL00-2065.5291livezuoGLOBAL00-3876.19291windGLOBAL002840.12292DEADGLOBAL00-2065.5292livezuoGLOBAL00-3866.06292windGLOBAL002826.17293DEADGLOBAL00-2065.5293livezuoGLOBAL00-3845.81293windGLOBAL002799294DEADGLOBAL00-2065.5294livezuoGLOBAL00-3815.44294windGLOBAL002654.72295DEADGLOBAL00-2065.5295livezuoGLOBAL00-3774.94295windGLOBAL002601.96296DEADGLOBAL00-2065.5296livezuoGLOBAL00-3724.31296windGLOBAL002539.69297DEADGLOBAL00-2065.5297livezuoGLOBAL00-3663.56297windGLOBAL002463.86298DEADGLOBAL00-2065.5298livezuoGLOBAL00-3593.25298windGLOBAL002431.24299DEADGLOBAL00-1032.75299livezuoGLOBAL00-1778.06299windGLOBAL001215.56300DEADGLOBAL00-2065.5300liveyouGLOBAL00-3556.13300windGLOBAL002431.13301DEADGLOBAL00-4131301liveyouGLOBAL00-7186.5301windGLOBAL004862.48302DEADGLOBAL00-4131302liveyouGLOBAL00-7327.13302windGLOBAL004927.73303DEADGLOBAL00-4131121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）303liveyouGLOBAL00-7448.63303windGLOBAL005079.38304DEADGLOBAL00-4131304liveyouGLOBAL00-7549.88304windGLOBAL005203.91305DEADGLOBAL00-4131305liveyouGLOBAL00-7630.88305windGLOBAL005309.44306DEADGLOBAL00-4131306liveyouGLOBAL00-7691.63306windGLOBAL005598307DEADGLOBAL00-4131307liveyouGLOBAL00-7732.13307windGLOBAL005652.34308DEADGLOBAL00-4131308liveyouGLOBAL00-7752.38308windGLOBAL005680.24309DEADGLOBAL00-4131309livezuoGLOBAL00-7752.38309windGLOBAL005680.24310DEADGLOBAL00-4131310livezuoGLOBAL00-7732.13310windGLOBAL005652.34311DEADGLOBAL00-4131311livezuoGLOBAL00-7691.63311windGLOBAL005598312DEADGLOBAL00-4131312livezuoGLOBAL00-7630.88312windGLOBAL005309.44313DEADGLOBAL00-4131313livezuoGLOBAL00-7549.88313windGLOBAL005203.91314DEADGLOBAL00-4131314livezuoGLOBAL00-7448.63314windGLOBAL005079.38315DEADGLOBAL00-4131315livezuoGLOBAL00-7327.13315windGLOBAL004927.73316DEADGLOBAL00-4131121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）316livezuoGLOBAL00-7186.5316windGLOBAL004862.48317DEADGLOBAL00-2065.5317livezuoGLOBAL00-3556.13317windGLOBAL002431.13其余的上弦节点与上述节点循环相同。其中，节点318~731的荷载与节点300~317循环对应相同，节点732~749的荷载分别与节点282~299对应相同。加完所有结点荷载至网壳结点后，还应给网壳加载自重，由于只定义了杆件，网壳自重没考虑到结点重力，采取的处理办法是：将结点重力分摊到杆件上，一般取杆件重力为自身重力的1.2倍。至此，荷载数据以及加载完成，可以运用程序进行分析计算，得到网壳各杆件的内力、结点力及结点位移等信息。4.支座约束处理：在运行SAP求解网壳杆件内力时，对支座处采用如下处理方法：支座1采用X,Y,Z三向约束，2~16，266~280采用z向约束，两纵边上的支座采用y和z两向约束。5.荷载组合：本设计共考虑11种荷载组合：1.2恒荷+1.4（左活荷+右活荷）1.2恒荷+1.4左活荷1.2恒荷+1.4右活荷1.35恒荷+0.98（左活荷+右活荷）1.35恒荷+0.98左活荷1.35恒荷+0.98右活荷1.2恒荷+1.4左活荷+0.84风荷1.2恒荷+1.4右活荷+0.84风荷1.35恒荷+0.98右活荷+0.84风荷1.35恒荷+0.98左活荷+0.84风荷1.0恒荷+1.4风荷6.网壳内力分析及杆件截面选择：网壳结构杆件的材料可以根据《钢结构设计规范》（GB50017）所推荐的为Q235和Q345钢选用，其中Q345钢由于强度高，宜用于大跨度的网壳。一般的网壳结构采用Q235钢为多。本设计中采用Q235钢材。这种钢材的力学性能、焊接性能好，材质也比较稳定。杆件可以采用薄壁型钢和普通型钢。管材宜采用高频焊管或无缝钢管，当有条件时应采用薄壁管截面。本设计采用的是薄壁圆管。121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）双层网壳的杆件计算长度：焊接空心球结点时弦杆，腹杆，容许长细比。杆件截面设计计算。网壳结构在完成内力分析求出每根杆件的内力后，就可以进行杆件截面设计。SAP2000本身具有选杆功能，但此次设计采用MATLAB程序编程选杆。MATLAB程序如下：clear,clc;element=xlsread("chuli.xls",1","A4:A49459");%有重复的单元forces=xlsread("chuli.xls",1,"E4:E49459");%对应有重复单元的轴力，尚未比较最大最小值element_joint=xlsread("chuli.xls",2,"B4:D2251");%单元与节点关系joint_xyz=xlsread("chuli.xls",3,"C4:E752");%节点坐标area=xlsread("chuli.xls",5,"A2:D14");%截面属性material=xlsread("chuli.xls",4,"A2:C2");%材料属性result=zeros(length(element_joint(:,1)),6);%结果矩阵m=1;fori=1:length(element_joint(:,1))%计算杆的几何长度i_joint=element_joint(i,2);j_joint=element_joint(i,3);len=norm((joint_xyz(i_joint,:)-joint_xyz(j_joint,:)),2);%判断杆件类型ifjoint_xyz(i_joint,3)-joint_xyz(j_joint,3)<1540flag=1;121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）elseflag=decide(i_joint,j_joint);end%计算计算长度len_c=len2len_c(flag,len);%求杆件拉压轴力press=forces(m);tensile=forces(m);whilem0&&((tensile/area(j,3))>material(3)||lamd>lamd_maxt)continue;endifpress<0&&((abs(press/(lamd2fa(lamd,material)*area(j,3)))>material(3))||lamd>180)continue;endresult(i,1)=element_joint(i,1);result(i,2:4)=[j,area(j,1:2)];121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）result(i,5)=[press];result(i,6)=[tensile];break;endend%输出xlswrite("result.xls",result,2);clear;functionflag=decide(i,j)%判断是否与支座相连接flag=3;number=[123456789101112131415161723394561678389105111127133149155171177193199215221237243259265266267268269270271272273274275276277278279280281];form=1:length(number)ifnumber(m)==i||number(m)==jflag=2;break;endendfunctionfa=lamd2fa(lamd,material)%lamd2fa(lamd)输入长细比lamd，返回falamd_normal=lamd/pi*sqrt(material(1)/material(2));iflamd_normal<=0.215&&lamd_normal>0fa=1-0.41*lamd_normal^2;elsemiddle=0.986+0.152*lamd_normal+lamd_normal^2;fa=(middle-sqrt(middle^2-4*lamd_normal^2))/(2*lamd_normal^2);endfunctionlen_c=len2len_c(flag,len)%len_c代表计算长度，len代表几何长度121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）ifflag==1%弦杆len_c=0.9*len;elseifflag==2%支座腹杆len_c=0.9*len;elseifflag==3len_c=0.8*len;end初次选杆完毕后，采用excel表格重新导入SAP2000，重新计算内力，再检查出截面强度不够的杆件，替换以更大的杆件，由于网壳是超静定结构体系，一根杆内力的变化将影响一大片杆件的内力分布甚至可能是整个网壳的内力分布，所有，在重新选择完截面之后，还应再次进行网壳内力分析，再次进行钢结构设计检查，如果还有杆件不符合，则还要重复操作：内力分析—结构设计检查—替换强度不够的杆件—内力分析>>>在以上选杆过程中，为了使选择的杆件能全部满足强度要求，并且尽可能使大部分的杆件能做到充分利用，需要对整个网壳的内力分布情况做一个大致的分析：首先将所有杆件分三部分：上弦杆、腹杆、下弦杆。其中内力较小的是腹杆，可选择直径较小的圆管，上弦杆内力稍微小于下弦杆，且其分布跟下弦杆的内力分布对应区域正好相反。另外支座除下弦杆内力会非常大，应选择最粗的杆件。选杆顺序：选杆顺序决定你选择的杆件在整个网壳上是否有规律分布，能否做到比较经济合理，大部分杆件充分利用等。在本设计中，经过一系列的重复选杆工作，总结出以下经验：首先给初选一个最大的杆件是这个网壳杆件强度完全满足，然后按顺序进行腹杆、下弦杆、上弦杆的选杆工作。选腹杆时，将所有腹杆选择一个较小的截面，让部分腹杆满足，其他腹杆不满足，然后选择不满足的腹杆，再选择一个较大的截面，重新计算，还有不满足的再选择较大截面，在计算，如此往复，直到所有的腹杆均满足强度要求。这时在仔细观察杆件大小分布情况，个别杆件再调整即可。然后按同样的方法选择上弦杆和下弦杆。直到整个网壳所有的杆件均满足强度要求。在本设计中，采用首选截面，一共选择了7种截面，如下：P1：D48T2、P2：D60T3.5、P3：D76T3.75、P4：D89T4、P5：D114T5121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）P6：D133T6、P7：D168T8至此，选杆工作完成，可将所有杆件的内力及杆件截面情况导出表格。7.网壳整体稳定：本设计中的网壳为两端支撑的圆柱面网壳，其两纵边是自由的，但需设置具有一定刚度的边梁。这种网壳犹如支于两端刚性横隔的巨大简支梁，网壳长度对结构受力的影响较大，不同长度的网壳需按实际计算选用不同的杆件：L/b增大时，网壳内力增加，相应地选择较大的杆件。在这一前提下，有全过程分析确定的网壳极限荷载与长宽比之间并无明显的依赖关系，也就是说，不同长度的网壳基本上保持同一水平的稳定性承载力。矢宽比f/b对网壳极限承载力有明显的影响：f/b较大的网壳，其极限承载力也较大。两端支撑的网壳对初始几何缺陷不十分敏感，如果以b/300作为可接受的最大容许缺陷，则极限承载力的降低比率不超过18%。荷载的不对称分布对网壳的极限承载力有明显的影响，这种影响在p/g=0.5时充分体现，p/g继续增大时承载力的进一步下降十分缓慢；荷载不对称分布的影响随不同的f/b和L/b而有所差异，而且有较强的规律性。8.杆件稳定计算：由于整个网壳共有2248根杆件，不可能也没有必要一一计算，在这里，我们可以选取每种直径的杆件中内力最大的杆件验算其稳定，如满足，则就不存在不满足的情况。计算公式:121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）以下是计算结果：截面类型D60*3.5D76*3.75D114*5D168*8　D48*2D60*3.5截面面积621.25851.181712.174021.24　289.03621.25回转半径20.0125.5838.5856.64　16.2820.14杆件编码176863327323　1670371杆件类型腹杆下弦横杆下弦横杆下弦横杆　腹杆下弦纵杆系数0.80.90.90.9　——长度3610.473703.223702.223702.22　3613.113600计算长度2888.383332.93332.93332.9　——轴力-38859.6-76509.3-270893-664543　61250.8116329.5长细比114.32130.386.3858.84　——正则化长细比1.4881.3440.8910.607　——稳定系数0.390.460.760.9　——N/ψA160.49194.18207.04184.28　211.92187.25从以上计算结果表明，N/A均小于f=215N/mm2.满足稳定要求。将杆件重新导入sap得结构最大挠度u=76.8mm0yali=0;endiflali<0lali=0;endif-yali<400*waijing*t-13.3*t^2*waijing^2/D&&lali<0.55*t*waijing*3.14159*215&&D>zdwj+80jiedian_c=m;break;endend121 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）ifjiedian