文摘
越来越多的大跨度空间结构使用灵活的屋顶实现光和辉煌的建筑效果。当一个柔性结构系统如有线电视网络应用于大跨度体育馆的屋顶将自重和风荷载作用下变形明显。附属结构屋顶如走秀,径向排水管道、循环排水通道和径向电缆战壕需要配合屋顶的大变形,以防损坏由屋顶的大变形引起的。彻底揭开一个附属结构的分析和设计方法,本文首先进行了风洞试验,以确定结构的风荷载。然后,每个屋顶面积的阵风响应因子和附属结构的动力放大系数考虑屋顶振动测定。接下来,循环和径向通道设计基于静态分析。滑动联合成立的附属结构适应屋顶的大变形。最后,时间t台进行了历史分析获得的最大变形值滑动接头结构的安全。结果表明,最大变形小于给定的值设计和符合规范。
1。介绍
大跨度屋顶结构广泛应用于体育建筑,因为他们的能力提供巨大的空间没有内在的列(1,2]。屋顶通常分为刚性屋顶,灵活的屋顶,屋顶应用刚柔混合。近年来,越来越多的体育场馆采用灵活的屋顶结构实现软和抛光的建筑外形3]。
大跨度屋顶结构具有重量轻的特点,大的灵活性,和小阻尼。风荷载是通常的一个控制加载的结构设计。灵活的屋顶的阻尼较小,固有频率接近的主要频率风,风荷载更敏感,特别是脉动风与其他结构相比,(4]。因此,风致响应通常是重要的,垂直位移通常远远超过规范的限值(5]。体育建筑的屋顶将配备等附属结构径向走秀,循环通道,径向排水管道、循环排水通道和径向电缆战壕。屋顶的大变形将导致损坏附属结构。因此,应力状态的附属结构的大变形下的屋顶需要进一步分析和专门设计的。
2。项目概述
说单层索网作为一种新型柔性结构体系应用于贾比尔Ahmed国际体育场(6在2009年首次)。这个发言张力结构进化压力机制的自行车与一个简单的结构体系的优点和清晰的力量传输路径,如图1。
径向电缆连接到外部压缩环和内部张力戒指。电缆的紧张和外环的压力平衡。整体结构属于一个自平衡系统。这种结构通常是覆盖膜材料、轻质和美丽的外表特征和主要应用在大型体育场馆。单层粗纱网结构通常外压缩环的起伏,形成一个鞍型空间曲面形状。鞍型屋顶可以提供一个相当大的垂直结构的刚度。
苏州奥林匹克体育中心体育场是中国最大的说话单层粗纱网结构(7,8),如图2。图3说明了主要结构的几何尺寸。屋顶被构造成一个单层膜覆盖和粗纱网结构轴直径260米和230米。马鞍形状是25米的高度差,创造碗的外轮廓。结构的最大高度是40米,和径向之间的电缆长度是51米和54米。
主体结构的体育场是一个新的支持系统合理的压力和结构效率高。小说的结构是由现代和材料来实现一个轻量级的超级大跨度空间结构。高强度材料应用于节省自然资源环境保护和经济结构。它包括向外斜v型柱、鞍外压缩环,内在张力圈,和有线网络,如图4。上方的屋顶膜排列有线网络结构由径向和内圈电缆。凹径向电缆主要承担重力荷载,并向上凸径向电缆主要熊风吸力加载,如图5。径向电缆是预应力和外环梁上固定。外环梁主要承担轴向压力通过一个合理的电缆网根据分析。它形成一个空间结构的刚度与v型列,可以抵抗横向风载和地震。所有径向电缆和圆形电缆Galfan-coated full-locked线圈绳(9]。
体育场的风致响应分析表明,内圈电缆的最大垂直位移(能达到2.8米7),这远远超出了变形限制的代码。因此,有必要分析屋顶的附属结构,以避免损坏附属结构大变形引起的。
自世界上很少有这样的项目,相关的研究基本上是空白,苏州奥林匹克中心体育场拍摄为例,介绍了分析和设计的方法来辅助结构的大变形下屋顶的细节。节3本文的风洞试验进行确定结构的风荷载,和附属结构的动力放大系数进行了计算。节4的设计方法,详细介绍了t台适应屋顶的大变形。节5,走猫步的风致响应分析,结果是与设计方法获得的结果相比,以确保结构的安全。最后,部分6总结了整个研究。
3所示。风致响应分析
3.1。风洞试验
压力测量实验的模型一直是主要的风的阻力研究方法用于大跨度屋面结构(10]。压力测量测试之间的刚性模型忽略了耦合结构,风11]。它测量的平均和脉动风荷载作用于结构。确定风荷载作用于结构,详细的风压测量进行了刚性模型风洞试验。模型是由有机玻璃和ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)板有足够的强度和刚度,如图6。没有变形或明显的振动测试风速下,确保压力测量的准确性。
模型的几何比例是1:250,模型和实际对象的形状是几何相似12]。风向角的测试模拟了旋转转盘。图7说明了风向角的定义。当风从北方的建筑模型,它被定义为0°风向角。风顺时针方向角增加,风向角的间隔是15°(13]。结构分为四个区域A, B, C,以及d .红色部分是悬臂的屋顶,蓝色部分是墙和外部环梁。四百四十三测量点安排在刚性模型。考虑到风的内外两侧墙上的大跨度屋顶结构,一双点安排在每个测量位置,和测量的压力点的区别是外和内表面压力(14]。地形类型B类;的基本风压力50年重现期和100年重现期是0.45 kPa和0.50 kPa,分别对应的梯度风速45.7米/秒,48.2 m / s。风荷载结构是由以下公式: 在哪里是空气密度,U我风速的高度吗我th测点的压力,一个我测点的辅助区域,CP,记风压系数在吗我th刚性模型表面测点。风荷载作用于实际的结构可以通过转换成比例的风荷载风洞测试。
3.2。阵风响应因子的结构
风荷载的时间从刚性模型风洞试验获得的历史被用来直接作用于相应节点的屋顶。结构的风致振动响应进行了分析通过ANSYS在时域瞬态分析方法,考虑到非线性大变形引起的几何效应的结构。屋顶的前两种振动模式如图所示8。环梁和v型柱被梁模拟188年10和有线模拟了链接。的动态平衡方程的结构 (在哪里米]、[C),(K)质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵的结构,分别。{U(t)}的节点位移,{P(t)}的列向量结构脉动风的作用下节点的负载。风压序列应用于纽马克-有限元模型β方法。结构的风致响应可以通过循序渐进的集成。阻尼的结构采用比例阻尼模型15]。十四风洞试验中的特定风方向选择的计算。
(一)
(b)
风荷载作用于结构下静止风历来被阵风响应因子法(16,17在全球大多数主要规范和标准。基于平稳随机振动理论(18,19),峰值位移反应高度的引用H= 在哪里是指位移响应,2.5是峰值因素,作为在中国规范,然后呢代表了均方根(RMS)的位移。阵风响应因子,它被定义为峰值负载影响的比例相对应的结构意味着负载效应设计风速,可以表示如下:
图9礼物的时间历史的垂直位移悬臂结束在一个地区,B, C, D控制风的方向。阵风响应因子可以通过公式计算每个区域(4),这是列在表中1。从屋顶的垂直位移时间历程悬臂端在每个区域,它可以观察到,悬臂在C区结束的垂直位移是最大的,也是最不利的工作条件。因此,整个屋顶的阵风荷载因子可以接受的结果,C区,为1.90。通过阵风荷载因子,可以确定结构的等效静力风荷载进行随后的静态分析。
(一)
(b)
(c)
(d)
3.3。附属结构的动力放大系数
屋面风荷载下的振动,动态放大造成的屋顶应考虑振动的附属结构。附属结构的动态放大因子(DAF)计算了悬臂端垂直加速度的分析。图10显示了悬臂的垂直加速度时间历史区域D和加速度功率谱密度(PSD)。的最大加速度的根方差达到2.575 m / s2。动力放大系数可以通过公式(4): 在哪里重力加速度,在9.8 m / s的价值吗2,的均方根加速度。因此,区域的动态放大系数D可以由DCF = (9.8 + 2.52.575)/ 9.8 = 1.66。动态放大系数和每个区域的控制风向角如表所示2。考虑这种动力放大系数,附属结构的静态分析是进行考虑屋面风致作用下振动的动态影响。
(一)
(b)
4所示。静态分析的辅助结构
4.1。走猫步的变形分析
一个附属结构的设计理念是积极适应屋顶的大变形,如此多的滑动连接节点和旋转连接节点中设置的辅助结构。这可以减少不利影响的大型屋顶变形和附属结构的刚度20.),避免不必要的次应力,使主体结构分析更接近现实。非结构化连接设置元素在整个模型来模拟和分析辅助结构的变形,如图11。元素等价于一个线性弹簧,所以连接元素释放需求的变形滑动节点的辅助结构。圆形的t台的总长度是435米,由40模拟非结构化连接元素(Nos 0-39)。
(一)
(b)
图12说明了每个元素的不同工况下的变形。可以看出,膨胀的每个元素是−5.0毫米到11.3毫米(张力被定义为一个积极的迹象和压力被定义为一个负号)。径向t台模拟由六个非结构化元素(1到6号),和四个径向通道选择(轴1 - 4)进行分析。图13显示信封的张力值(max)和压缩(min)的四个径向通道在不同工作条件。可以看出,径向走猫步的每个组件的变形大。
4.2。圆形t台的设计
为了满足建筑屋顶的要求,传统的“挂”被遗弃的时装表演形式。所有通道都出现和安排以上电缆头的十字路口内圈电缆和径向电缆,以确保观众无法看到t台组件。圆形的t台分为两种情况,t台灯具和t台没有灯,考虑照明布局要求。圆形的t台的三维图如图14。
两个横向梁连接支持列相邻环电缆夹圆走猫步。的最大跨度梁是近12米。两个栏杆列设置在三个位置的横梁上平均分配每个跨度减少上部横向成员张成的空间,如图15。主要的循环走猫步的stress-bearing组件是横向梁,和双方都铰链环通过支撑柱电缆夹。根据结构变形,横梁总是平行环电缆。因此,梁的变形设置滑动关节的包络值环电缆各种工况的变形。基于圆形连接元素的变形,变形的20毫米被预留给滑动关节。采用一个固定铰链一端,另一个采用铰链+轴向滑动。详细的结构如图16。
4.2.1。准备时装表演没有灯
栏杆柱设置在横梁上。栏杆是梁刚性连接的列。当有明显的垂直变形区别相邻电缆夹,栏杆会一定角梁的变形,导致大量的变形的。如果采用传统的箱梁,栏杆,一边横跨两岸的节点需要储备大量的变形,提高了节点的长度。与此同时,大量的节点将会增加负载的内圈电缆,导致处理困难和贫穷的总体影响。在研究单拱桥t台的变形机制,它可以发现,当垂直的相对变形时装秀上发生,三个部分的总长度之间的栏杆相邻电缆夹不变,如图17。因此,我们放弃了传统的栏杆,把它改为单拱桥电缆,如图18。电缆仅固定在支持列在电缆夹,栏杆上的圆孔设置专栏,电缆穿过圆孔。孔的内壁提供一个三元乙丙橡胶(乙烯丙烯二烯单体)避免划伤电缆保护套,如图19。电缆使得t台的整体外观效果简洁而消除了繁琐的栏杆释放节点。电缆材料是不锈钢,低弹性模量的优势和强大的适应变形的能力。
4.2.2。时装表演与灯
当灯是安装在t台,负载灯是重要的,会产生一个往复动载荷下风致振动响应。在这种情况下,如果一个12米梁用于支持灯,跨度太大,导致大的偏转,这不利于结构。因此,减少其计算长度的灯梁分段,并支持节点设置,如图20.。灯梁具有显著的转矩,因为灯负载很大和倾角。支持节点采用双耳板的形式,这样灯束可以旋转,扩大沿销轴轴向和有效传输灯的扭矩。
由于栏杆柱之间的刚性连接和横向梁,梁变形时,中间跨度灯梁的长度不变,只有使滑动梁的跨度灯。因此,固定铰链关节采用两边的中间跨度灯束,和边跨灯梁采用关节铰链一端与滑动轴一端。灯的最大变形梁可以达到50毫米,以确保它的安全。减少节点的大小,每一方节点的版本±25毫米变形。
4.3。设计的径向走猫步
径向时装表演取消了由于大变形的径向电缆。的上部径向电缆覆盖保护膜,形成一种自然崖径用膜结构的受力特点。员工可以达到内部循环崖径走路时保护膜。电缆放在径向崖径。从图可以看出21每个组件的变形需要有效地释放。因此,割缝洞+ 90−90毫米/采用电缆路由组件的每个部分。图21显示了详细的径向结构组件。通过设定的猫步保护膜和组件之间的缝洞组,径向二次组件有足够的灵活性来适应结构的大变形。
5。风致响应分析的循环走猫步
为了避免不完全考虑静态分析,t台的风致响应动态分析,分析方法如图22。首先,体育馆的风致响应时间进行了历史分析。然后,内圈电缆头的三维位移随时间的变化提取并应用于t台的支持作为输入载荷获取节点变形随时间的变化曲线。的最大变形关节与静态分析的结果。
当地的圆形平台的有限元模型如图23。节点分为两种类型:第一种是横向梁节点,第二种类型是灯梁节点。排名前十的最大变形梁节点的底部的圆形猫步如表所示3,最大变形达到10毫米。排名前十的灯的最大变形梁节点如表所示4,33毫米。节点展开的需求价值小于预定数量的节点设计(横梁:20 mm和灯梁:50毫米)。
6。结论
本文分析过程和设计对策的附属结构大变形下的内圈详细给出了基于苏州奥林匹克体育中心体育场的工程背景。相关结论如下:(1)通过刚性模型风洞试验的体育场,风荷载时间历史,历史和时间的分析体育场进行。悬臂的垂直位移在C区是最大的结束,和阵风响应因子的整个屋顶可以C区,这是1.90。(2)屋面风荷载下的振动,动态放大造成的屋顶应考虑振动的附属结构。动力放大系数从加速度响应,获得的是1.66。(3)附属结构需要设置滑动关节适应屋顶的大变形。附属结构本文的创新在于,双耳板缝槽设置灯的光束,它能有效地传递扭矩,同时适应伸缩变形。电缆用于取代传统的栏杆来避免复杂的关节。(4)滑动变形的关节是由静态分析。附属结构的时程分析表明,滑动接头的最大变形不超过设计值。
数据可用性
本文使用的数据来自独立的参与者在研究分析。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是由中国国家自然科学基金支持项目号码11673039。