变高度四角锥网架平面结构体系设计与分析

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1、变高度四角锥网架平面结构体系设计与分析摘要：本文针对大庆市实验中学体育馆屋盖工程设计，给出了建址的选取三原则，对建筑造型的整体进行了叙述，屋顶采用X架结构体系，充分体现出实验中学的特色与优势。在此基础上对结构有限元设计进行了叙述，验证了构件的承载力和整体刚度变形，既实现了轻屋面的结构设计理念，又保证了室内的自然采光，显得宽敞明亮，给人舒服高雅的感觉。可为开展同类工程设计提供参考。　　ABSTRACT:Invieiddleschoolgymnasiumroofengineeringdesign,thisarticlegivesthesiteselectionthreeprincipl

2、es,thearchitecturalmodelingoverallentalmiddleschool.Onthebasisofstructuralfiniteelementdesignationareverified,ilarengineeringdesignreference.　　关键词：体育馆；建筑造型；结构设计　　Keynasium；ArchitecturalModeling；StructuralDesign　　中图法分类号TU441.3A　　　　1.工程概况　　大庆市实验中学位于大庆市开发区秀水路，北临滨州湖，南与东北石油大学毗邻，是经市政府决定成立的市重点中学。经过多年

3、的办学，在校领导的带领下在历届高考中已硕果累累，高考成绩斐然，已经跨入省重点高中的行列。为办好教学的同时保证教职员工的身心健康，修建了多功能体育馆，其中包括篮球、乒乓球、羽毛球和台球等场地，占地面积4万多平方米，内部有2个标准的篮球场地，四周是看台。二层是乒乓球和羽毛球场地，视野开阔，为保证员工开展各项活动打下良好的基础。由于内部有各种场地，所以不能设置柱子，因此保证大跨度空间的实现成为设计者们棘手的问题。经过多个方案的尝试，最后选为变高度四角锥X架平面结构做支撑体系，结构形式为多点支撑，四周采用X架相互连接形成整体，屋盖支撑的优点是重量轻，可实现的跨度大，施工速度快，周期短，整体

4、造价较低。体育馆的整体外貌如图1所示。本文介绍了本屋盖的结构形式，采用有限元软件ANSYS开展了仿真分析，对杆件和整体变形进行了验算，最后对节点进行了详细介绍，这一设计过程为类似实际工程的建设提供了宝贵的参考资料，使结构初步设计人员对X架结构设计有一些了解，方便以后工程中应用X架结构，因此，开展X架结构的静力分析是至关重要的。　　　　图1整体外貌　　2.建址选择　　实验中学迁址的选择本着三个方面的原则：　　是远离吵闹的市区中心，避免外界环境对学校的干扰，同时缓解中心地带的车辆拥挤问题，避免交通的拥堵，给行人和车辆带来很大的不便。　　是便于学生的出行　　交通便利，方便学生节假日出行，

5、给接送孩子提供较好的场所。　　是生源较多的位置　　保证生源是一个学校生存下去的前提，附近最好是居民区，很多家庭为孩子上学方便，都是采取就近的原则，这样父母好照顾孩子，同时孩子放学期间可以回家休息，花费在路上的时间少，节约了大量时间，这是很多家长会考虑到的。　　秀水路9号正好符合上述3点要求，作为校址是最佳的地点，市政府接到报告后，考虑到实验中学在我市的地位和影响，特批了这块非常紧张的地段，为城市的以后发展打下良好的基础。　　3.结构型式的选取　　起初结构形式有多个方案[1,2]，如柱面X壳结构，X架结构，还有钢结构等等，考虑到跨度较大，采用普通钢框架结构材料浪费严重，造价高，最终在

6、柱面X壳和X架结构中选出一种，柱面X壳能增大室内的净高，但带来的问题是两侧山墙较高，无疑使结构受风荷载的作用较大，而且还有一个推力传递的过程，为抵抗弯矩无形中增加了结构支撑构件的截面尺寸，因此柱面X壳方案不可行。选择X架结构优点是可实现多点支撑体系，无水平推力作用，若采用正放四角锥X架，在曲线造型上不好处理，于是选取了单跨四角锥X架平面结构支撑屋顶，降低材料的用量，造价低，方案可行。　　4.有限元仿真　　4.1分析的过程　　有限元仿真是代替理论计算的较好手段，通过软件建模，加载和求解，最后获得杆件的内力和整体变形，通过验算调整杆件的截面，使得承载力和稳定性满足要求，同时X架的刚度也

7、要足够大，避免发生整体破坏。　　4.2有限元建模　　采用三维杆单元模拟杆件，定义单元类型为LINK8，输入实例常量截面的面积和直径，给出材料的属性，钢结构弹性模量为E=2.06×1011N/m2，泊松比为0.3。通过节点连线直接生成杆单元的直接建模法，荷载施加在节点上，静力求解。　　4.3有限元结果与验算　　体育馆屋顶全部为单跨平面四角锥X架结构，采用焊接空心球节点连接。采用ANSYS[3]对X架结构进行有限元分析结果表明，该四角锥平面X架刚度大，承载力高，可实现的跨