建筑工程系空間結(jié)構(gòu)實例講解課件

1、空間結(jié)構(gòu)案例分析同濟(jì)大學(xué)建筑工程系鋼結(jié)構(gòu)理論和施工技術(shù)研究室空間結(jié)構(gòu)案例集【案例集】1. 國家大劇院 0209012. 上海國際會議中心 0209213. 常州玫瑰園 1207164. 江寧體育館 0305065. 上海南站 0310286. Ben Aknoun 體育館 0605107. 千島湖綢云 1010258. 北京朝天輪 090101【案例集】9. 鹽城體育場 12031110. 大同美術(shù)館 11110511. 棗莊體育館 12051412. 嘉興網(wǎng)球中心 070727【案例集】13. 東莞科技館 03032014. 世博會民企館 09060415. 西藏會展中心 12072816.

2、 某儲煤場網(wǎng)殼 100123【案例集】案例8-北京朝天輪 提綱 工程概況 荷載計算 結(jié)構(gòu)體系 結(jié)構(gòu)選型 結(jié)構(gòu)分析 節(jié)點設(shè)計第1節(jié)工程概況1.1 發(fā)展歷史 Ferris Wheel 費里斯大轉(zhuǎn)輪世界首座1893年芝加哥直徑76m總高80m1.1 發(fā)展歷史 London Eye 倫敦眼1999年直徑128m總高135m1.1 發(fā)展歷史 Sky Dream天空之夢2001年直徑112m總高120m日本 福岡1.1 發(fā)展歷史 Tientsin Eye 南昌之星2006年直徑153m總高160m1.1 發(fā)展歷史 Singapore Flyer新加坡飛行者2008年直徑150m總高165m1.1 發(fā)展歷史

3、 Tientsin Eye 天津之眼2009年直徑110m總高120m1.2 工程概況 北京朝天輪？年直徑193m總高208m轎廂48個1.3 結(jié)構(gòu)分類 輪輻結(jié)構(gòu)剛性輪輻柔性輪輻支撐結(jié)構(gòu)塔架結(jié)構(gòu)單側(cè)柱+斜拉索雙側(cè)柱+斜拉索第2節(jié)結(jié)構(gòu)體系2.1 結(jié)構(gòu)體系概覽 輪緣輪輻索轉(zhuǎn)軸A架柱斜拉索下部支架2.2 輪輻結(jié)構(gòu) 輪輻結(jié)構(gòu)：輪緣+輪輻索2.2 輪輻結(jié)構(gòu) 輪輻索48根平行鋼絲束7x253輪緣三角形桁架2.3 支撐結(jié)構(gòu) 支撐結(jié)構(gòu)：雙側(cè)柱+斜拉索平行鋼絲束大鋼管【思考01】從圖中判斷柱腳是鉸接還是剛接？柱頂是鉸接還是剛接？2.4 轉(zhuǎn)軸 轉(zhuǎn)軸：軸心+軸套通過軸承連接2.5 下部支架 2.5 下部支架 驅(qū)動裝

4、置朝天輪新加坡飛行者錄像【思考02】如何在計算模型中簡化驅(qū)動裝置？2.5 下部支架 導(dǎo)向裝置新加坡飛行者朝天輪【思考03】如何在計算模型中簡化導(dǎo)向裝置？第3節(jié)荷載計算3.1 恒荷載 輪輻結(jié)構(gòu)自重 + 轎廂重量倫敦眼：128m， 約1500噸【思考04】方案階段如何估算大輪的總重？天津眼：110m， 約900噸朝天輪：193m， 約34004000噸搜集類似工程資料，重量基本和直徑2.02.5成正比3.2 風(fēng)荷載 基本風(fēng)壓：【思考05】和周期相近的高層建筑和普通高聳結(jié)構(gòu)相比，風(fēng)振系數(shù)是更大還是更??？wk=0.135 kN/m2運行工況wk=0.50 kN/m2暴風(fēng)工況7級風(fēng)100年一遇體型系數(shù)：

5、構(gòu)件擋風(fēng)us=0.701.30高度系數(shù)：C類地貌風(fēng)振系數(shù)：z3.2 風(fēng)荷載 【思考06】試估算總風(fēng)荷載？風(fēng)荷載作用下的總傾覆力矩？中心標(biāo)高108m高度系數(shù)uz=1.72體型系數(shù)us=1.0風(fēng)振系數(shù)z=2.0風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值wk=1.72 kN/m2大輪輪廓面積A=29240 m2擋風(fēng)面積比率17%總風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值約850噸總傾覆力矩850*108=91800 噸米3.2 風(fēng)荷載 【思考06續(xù)】假設(shè)兩邊大輪風(fēng)的方向不一致，試估算總扭矩？風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值wk=1.72 kN/m2大輪輪廓面積A=29240 m2擋風(fēng)面積比率17%總風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值約425噸總傾覆力矩425*128=54400 噸米力臂長度2D/3=

6、128米3.3 地震作用 設(shè)防烈度：【思考07】試評估小震和暴風(fēng)誰控制設(shè)計？8度計算方法：振型分解反應(yīng)譜 + 時程分析中心標(biāo)高108m大輪總質(zhì)量約4000噸地震影響系數(shù)max=0.16水平地震作用4000*0.16=640噸總傾覆力矩640*108=69120噸米3.4 傳力路徑 豎向荷載傳遞路徑輪緣轎廂重量下半邊輪輻索轉(zhuǎn)軸支撐系統(tǒng)基礎(chǔ)【思考08】如何保證上半邊輪輻索不松弛？3.4 傳力路徑 橫向水平荷載傳遞路徑【思考09】如果保證上半邊輪輻索松弛，對輪輻的抗彎剛度有和影響？3.4 傳力路徑 橫向扭矩傳遞路徑【思考10】暴風(fēng)錨具能否抗扭？為何分別設(shè)置暴風(fēng)擋板和導(dǎo)向輪，各自起作用的工況？3.4

7、傳力路徑 縱向水平荷載傳遞路徑縱向風(fēng)和地震左半邊輪輻索轉(zhuǎn)軸支撐系統(tǒng)基礎(chǔ)第4節(jié)結(jié)構(gòu)選型4.1 支架選型支架形式：建筑造型，場地限制，用鋼量【思考11】下列支架形式中，哪些是錯誤的？4.1 支架選型A架柱直徑：建筑造型，整體穩(wěn)定承載力【思考12】已知A架柱長度為120m，截面采用圓鋼管，試選取A架柱的外徑？如何驗證截面的合理性呢？選型原則：長細(xì)比圓管支撐：80120鋼柱：4080網(wǎng)架：150直徑d=5m長細(xì)比=70方管4.1 支架選型整體穩(wěn)定分析直徑4m第1階屈曲模態(tài)穩(wěn)定系數(shù)5.254.1 支架選型整體穩(wěn)定分析直徑5m第1階屈曲模態(tài)穩(wěn)定系數(shù)6.7754.1 支架選型【思考13】為了提高A架柱的整體

8、穩(wěn)定承載力，減小長細(xì)比，把柱腳改為剛接是否合理？基礎(chǔ)斜拉索作用桁架桿件的剛接格構(gòu)柱的綴條4.1 支架選型A架柱壁厚：局部穩(wěn)定承載力，經(jīng)濟(jì)性【思考14】已知A架柱直徑5m，材質(zhì)Q390，選取壁厚30mm，是否合理？有什么構(gòu)造措施防止局部失穩(wěn)？圓管：方管：工字形翼緣：設(shè)置加勁肋4.1 支架選型局部穩(wěn)定分析加勁肋構(gòu)造無加勁肋有加勁肋第1階屈曲模態(tài)4.2 輪輻索選型輪輻索的布置數(shù)量：48根（對應(yīng)轎廂位置）面外兩側(cè)布置面內(nèi)偏心布置兩側(cè)布置【思考15】兩側(cè)布置的目的是什么？4.2 輪輻索選型【思考16】偏心布置的目的是什么？北側(cè)：逆時針偏心南側(cè)：順時針偏心4.2 輪輻索選型中心布置偏心布置4.2 輪輻索選

9、型偏心距的確定：偏心距過小：抗扭剛度不足偏心距過大：軸套受扭過大d=700=D/2504.2 輪輻索選型輪輻索的預(yù)拉力預(yù)拉力下限：由 0度索控制，防止松弛預(yù)拉力上限：由180度索控制，滿足安全系數(shù)輪輻索拉力分布最小索力最大索力4.2 輪輻索選型預(yù)應(yīng)力取值原則：不松弛，盡量小加大輪輻索安全系數(shù)的惡性循環(huán)最終取值：2.5加大輪輻索截面 防止松弛預(yù)拉力變大輪緣壓力變大，變重180度索拉力變大4.2 輪輻索選型參數(shù)：180度索安全系數(shù)控制工況：暴風(fēng)STC+自重+預(yù)應(yīng)力4.2 輪輻索選型參數(shù)：0度索拉力控制工況：暴風(fēng)STC+自重+預(yù)應(yīng)力4.2 輪輻索選型參數(shù)：頂點側(cè)移控制工況：暴風(fēng)STC+自重+預(yù)應(yīng)力4

10、.2 輪輻索選型參數(shù)：90度索懸垂控制工況：自重+預(yù)應(yīng)力4.2 輪輻索選型參數(shù)：壓縮變形參數(shù)：不圓度4.2 輪輻索選型無重狀態(tài)初始預(yù)拉力：N=3200kN大輪（含轎廂）總重：G=4000T48N/G = 3.844.3 輪緣選型輪緣結(jié)構(gòu)的尺寸轎廂尺寸抗彎剛度抗壓剛度連接輪輻索外輪緣直徑 D=190m輪緣寬度 B=9mD/B=214.3 輪緣選型輪緣構(gòu)件的截面內(nèi)輪緣：鋼管 1120*30外輪緣：組合截面 660 x25+400 x400第5節(jié)結(jié)構(gòu)分析5.1 邊界條件切向：非線性彈簧摩擦系數(shù)運行速度大輪平面外：無約束驅(qū)動裝置5.1 邊界條件導(dǎo)向裝置切向：無約束大輪平面外：帶間隙非線性彈簧5.1 邊

11、界條件暴風(fēng)錨具切向：彈簧大輪平面外：彈簧油缸鎖定力非運營狀態(tài)5.1 邊界條件暴風(fēng)擋板切向：簡化為自由大輪平面外：較大間隙非線性彈簧5.2 計算模型 有限元模型： 兩個模型：運營狀態(tài)，暴風(fēng)狀態(tài) 結(jié)構(gòu)方位：5.3 靜力性能構(gòu)件應(yīng)力比空間合成最大變形(荷載組合014)X方向最大變形(荷載組合011)Y方向最大變形(荷載組合008)Z方向最大變形(荷載組合017)運營狀態(tài)變形5.3 靜力性能暴風(fēng)狀態(tài)變形空間合成最大變形(荷載組合145)X方向最大變形(荷載組合151)Z方向最大變形(荷載組合164)Y方向最大變形(荷載組合146)5.3 靜力性能1）運營狀態(tài)： 最大變形為254mm，發(fā)生在組合142）

12、暴風(fēng)狀態(tài)： 最大變形為792mm，發(fā)生在組合1455.3 靜力性能變形驗算5.4 抗震驗算 運營狀態(tài)動力特性序號Mode 1Mode 2Mode 3Mode 4Mode 5Mode 6Mode 7Mode 8Mode 9Mode 10周期(s)3.4063.2032.8072.0891.6171.4931.4931.3931.3181.290第一階振型（T=3.406）第二階振型（T=3.203）第五階振型（T=1.617）第六階振型（T=1.493）第三階振型（T=2.807）第四階振型（T=2.089）5.4 抗震驗算第九階振型（T=1.617）第十階振型（T=1.493）第七階振型（T=

13、2.807）第八階振型（T=2.089）5.4 抗震驗算 暴風(fēng)狀態(tài)動力特性序號Mode 1Mode 2Mode 3Mode 4Mode 5Mode 6Mode 7Mode 8Mode 9Mode 10周期(s)3.7513.5193.3332.8422.8071.8641.5511.4931.4891.290第一階振型（T=3.751）第二階振型（T=3.519）5.4 抗震驗算第五階振型（T=2.807）第六階振型（T=1.864）第三階振型（T=3.333）第四階振型（T=2.842）5.4 抗震驗算第九階振型（T=1.489）第十階振型（T=1.290）第七階振型（T=1.551）第八階

14、振型（T=1.493）5.4 抗震驗算5.4 抗震驗算 抗震性能目標(biāo)： 構(gòu)件類型 性能目標(biāo) 整體結(jié)構(gòu) 常遇地震(小震)彈性 A架柱、穩(wěn)定索、軸心軸套 設(shè)防烈度為地震(中震)彈性；在罕遇地震(大震)下不屈服，確保不發(fā)生整體倒塌 輪緣 設(shè)防烈度地震(中震)彈性，OPC狀態(tài)罕遇地震(大震)作用下，允許輪緣的部分構(gòu)件屈服，但不能出現(xiàn)輪緣的整體斷裂；輪緣發(fā)生整體扭曲變形應(yīng)較小，以使輪緣在救援裝置的牽引下轉(zhuǎn)動，保證人員逃生 輪輻索 罕遇地震(大震) 作用下允許屈服，但不發(fā)生斷裂 驅(qū)動導(dǎo)向支架 設(shè)防烈度地震(中震)彈性及罕遇地震(大震)作用下不屈服 抗震性能評價指標(biāo)：構(gòu)件的應(yīng)力比5.4 抗震驗算 參數(shù)選?。?/p>

15、常遇地震： 建筑抗震規(guī)范GB50011設(shè)防烈度地震、罕遇地震： 北京朝天輪工程場地地震安全性評價報告設(shè)防防烈場地加速度(g)地震分組場地類別最大地震影響系數(shù)max(g)場地特征周期Tg(s)時程波峰值A(chǔ)max(gal)阻尼比小震80.2IIII0.160.45700.02中震0.50.72000.03大震0.930.954000.04【思考17】注意大震、中震、小震的阻尼比取值。1）運營狀態(tài)： 常遇地震 規(guī)范規(guī)定的設(shè)計強(qiáng)度（構(gòu)件驗算） 設(shè)防裂地地震 屈服強(qiáng)度 彈性 罕遇地震 屈服強(qiáng)度 彈性 2）暴風(fēng)狀態(tài)： 常遇地震 規(guī)范規(guī)定的設(shè)計強(qiáng)度（構(gòu)件驗算） 設(shè)防裂地地震 規(guī)范規(guī)定的設(shè)計強(qiáng)度 罕遇地震 屈服強(qiáng)度 彈性3）第一階自振周期： 運營狀態(tài)(T=3.406s) 暴風(fēng)狀態(tài)(T=3.751s)5.4 抗震驗算總結(jié)運營狀態(tài)