《空間桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》課件

空間桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高強(qiáng)度、輕量化、大跨度的三維結(jié)構(gòu)系統(tǒng)課程概述課程目標(biāo)掌握空間桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本理論具備實(shí)際工程應(yīng)用能力學(xué)習(xí)內(nèi)容理論基礎(chǔ)、計(jì)算方法構(gòu)造設(shè)計(jì)、施工技術(shù)考核方式理論考試占60%第一章：空間桁架結(jié)構(gòu)概述1定義與特性三維受力體系2發(fā)展歷史從簡(jiǎn)單到復(fù)雜3結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)輕量高強(qiáng)大跨度4應(yīng)用領(lǐng)域1.1空間桁架的定義三維受力特性由桿件組成的三維骨架結(jié)構(gòu)各桿件在三維空間中相互連接形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)體系與平面桁架的區(qū)別平面桁架：二維平面內(nèi)受力空間桁架：三維空間中受力1.2空間桁架的發(fā)展歷史早期應(yīng)用19世紀(jì)鐵路橋梁簡(jiǎn)單三角形組合工業(yè)革命鋼材廣泛應(yīng)用制造工藝提升現(xiàn)代發(fā)展計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)新材料應(yīng)用未來(lái)趨勢(shì)智能化結(jié)構(gòu)1.3空間桁架的優(yōu)勢(shì)輕量化材料利用率高高強(qiáng)度空間受力合理大跨度能力可覆蓋大面積無(wú)柱空間施工便捷1.4空間桁架的應(yīng)用領(lǐng)域建筑領(lǐng)域體育場(chǎng)館屋頂展覽中心大廳橋梁工程橋梁主體結(jié)構(gòu)輕型人行天橋航空航天衛(wèi)星支撐結(jié)構(gòu)第二章：空間桁架的基本類型幾何形狀分類基于正多面體單元組合層數(shù)分類單層、雙層和多層桁架網(wǎng)格類型方形網(wǎng)格、三角形網(wǎng)格曲面形式2.1正四面體單元桁架幾何特點(diǎn)基本單元為正四面體四個(gè)三角形面組成力學(xué)性能空間穩(wěn)定性高受力傳遞均勻連接方式頂點(diǎn)連接形成網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)多向擴(kuò)展2.2正八面體單元桁架1幾何構(gòu)成由八個(gè)三角形面構(gòu)成2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)單元間連接靈活3應(yīng)用場(chǎng)景大型屋頂結(jié)構(gòu)4優(yōu)勢(shì)材料利用率高2.3四角錐單元桁架頂點(diǎn)單一節(jié)點(diǎn)連接多桿件底面正方形底面?zhèn)让嫠膫€(gè)三角形側(cè)面2.4正方形網(wǎng)格桁架2.5三角形網(wǎng)格桁架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)三角形為基本單元固有穩(wěn)定性好1力學(xué)優(yōu)勢(shì)分布力更均勻空間剛度高2應(yīng)用場(chǎng)景大跨度屋頂穹頂結(jié)構(gòu)3構(gòu)造難度節(jié)點(diǎn)復(fù)雜制作精度要求高42.6球面網(wǎng)格桁架幾何原理基于球面劃分正多面體投影結(jié)構(gòu)特點(diǎn)曲面形態(tài)空間封閉性好典型應(yīng)用穹頂建筑展覽場(chǎng)館設(shè)計(jì)要點(diǎn)節(jié)點(diǎn)角度變化桿件長(zhǎng)度差異第三章：空間桁架的受力分析靜力平衡內(nèi)力與外力平衡變形分析結(jié)構(gòu)整體變形穩(wěn)定分析整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定計(jì)算方法解析法與數(shù)值法3.1空間桁架的受力特點(diǎn)3D空間力系統(tǒng)三維方向的內(nèi)力分布100%軸向受力桿件主要承受拉壓力0°剪力和彎矩理想狀態(tài)下幾乎為零N+M靜定/超靜定結(jié)構(gòu)類型決定分析復(fù)雜度3.2節(jié)點(diǎn)分析方法基本原理以節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象建立力平衡方程求解桿件內(nèi)力分析步驟自由體分析建立坐標(biāo)系列出平衡方程求解未知力適用范圍靜定結(jié)構(gòu)規(guī)則幾何形態(tài)節(jié)點(diǎn)數(shù)量少3.3截面法3.4有限元分析方法基本原理離散化結(jié)構(gòu)建立方程組數(shù)值求解分析步驟模型建立網(wǎng)格劃分施加邊界條件求解與后處理優(yōu)勢(shì)適用復(fù)雜結(jié)構(gòu)考慮多種受力可視化結(jié)果3.5計(jì)算機(jī)輔助分析軟件介紹第四章：空間桁架的設(shè)計(jì)原則結(jié)構(gòu)布置力學(xué)性能與經(jīng)濟(jì)性兼顧荷載分析全面考慮各種荷載材料選擇適應(yīng)環(huán)境與受力需求節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位支座設(shè)計(jì)確保荷載正確傳遞4.1結(jié)構(gòu)布置原則力學(xué)性能滿足強(qiáng)度剛度穩(wěn)定性經(jīng)濟(jì)性材料用量最少施工便利性便于加工與安裝4.2荷載分析1恒載結(jié)構(gòu)自重固定設(shè)備重量2活載人群荷載設(shè)備運(yùn)行荷載3風(fēng)荷載風(fēng)壓力風(fēng)吸力4地震作用水平地震力豎向地震力4.3材料選擇材料類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)鋼材強(qiáng)度高、塑性好自重大、易腐蝕鋁合金輕質(zhì)、耐腐蝕成本高、強(qiáng)度低復(fù)合材料輕質(zhì)高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)性價(jià)格昂貴、工藝復(fù)雜4.4節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)焊接節(jié)點(diǎn)螺栓連接銷軸連接其他連接4.5支座設(shè)計(jì)鉸支座可轉(zhuǎn)動(dòng)不可位移傳遞三向力滑動(dòng)支座一個(gè)方向可位移傳遞兩向力固定支座不可轉(zhuǎn)動(dòng)不可位移傳遞力和力矩第五章：空間桁架的構(gòu)造設(shè)計(jì)桿件設(shè)計(jì)截面選擇與長(zhǎng)細(xì)比控制節(jié)點(diǎn)構(gòu)造球節(jié)點(diǎn)、管節(jié)點(diǎn)、板節(jié)點(diǎn)支撐系統(tǒng)水平支撐與垂直支撐防護(hù)設(shè)計(jì)防腐設(shè)計(jì)與防火設(shè)計(jì)5.1桿件設(shè)計(jì)截面選擇圓管：美觀，風(fēng)荷載小方管：連接簡(jiǎn)單工字型：抗彎能力強(qiáng)長(zhǎng)細(xì)比控制壓桿：控制穩(wěn)定性拉桿：考慮疲勞合理取值范圍：80-1205.2節(jié)點(diǎn)構(gòu)造球節(jié)點(diǎn)多向連接能力強(qiáng)管節(jié)點(diǎn)制作簡(jiǎn)便板節(jié)點(diǎn)剛度高組合節(jié)點(diǎn)適應(yīng)復(fù)雜需求5.3支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平支撐提高橫向剛度垂直支撐增強(qiáng)縱向穩(wěn)定性整體支撐形成完整空間體系5.4防腐設(shè)計(jì)涂裝防腐漆環(huán)氧涂層鍍鋅熱浸鍍鋅電鍍鋅陰極保護(hù)犧牲陽(yáng)極法外加電流法5.5防火設(shè)計(jì)650°C臨界溫度鋼結(jié)構(gòu)失效溫度1.5h耐火極限常規(guī)設(shè)計(jì)要求2-3cm防火涂料厚度常用涂層厚度第六章：空間桁架的施工技術(shù)工廠預(yù)制精確加工運(yùn)輸特殊要求現(xiàn)場(chǎng)安裝多種方法質(zhì)量控制嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)6.1工廠預(yù)制桿件制作下料切割端部處理防腐處理節(jié)點(diǎn)制作精密加工質(zhì)量檢驗(yàn)編號(hào)標(biāo)識(shí)部分組裝小單元組裝預(yù)拼裝檢查分解包裝6.2運(yùn)輸要求1234尺寸限制符合道路運(yùn)輸規(guī)定特殊件需辦理手續(xù)防護(hù)措施防碰撞包裝防潮防塵裝卸要求正確吊裝點(diǎn)避免變形編號(hào)系統(tǒng)清晰標(biāo)識(shí)按安裝順序排列6.3現(xiàn)場(chǎng)安裝方法整體提升法地面組裝后整體吊裝適合中小型結(jié)構(gòu)分塊安裝法按區(qū)域分塊安裝適合大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)滑移法邊緣組裝后整體滑移適合線性延伸結(jié)構(gòu)6.4質(zhì)量控制要點(diǎn)材料檢驗(yàn)核對(duì)材質(zhì)證明外觀缺陷檢查制作精度桿件長(zhǎng)度偏差控制節(jié)點(diǎn)加工精度安裝精度支座標(biāo)高控制節(jié)點(diǎn)空間位置連接質(zhì)量焊接外觀質(zhì)量螺栓緊固扭矩6.5安全措施個(gè)人防護(hù)安全帽、安全帶2臨時(shí)支撐確保施工過(guò)程穩(wěn)定氣象監(jiān)測(cè)大風(fēng)暫停作業(yè)專項(xiàng)方案編制安全專項(xiàng)施工方案第七章：空間桁架的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)1傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手工計(jì)算與繪圖2CAD階段二維繪圖輔助33D建模三維直觀表達(dá)4BIM技術(shù)全生命周期管理5參數(shù)化設(shè)計(jì)智能化自動(dòng)生成7.1CAD軟件應(yīng)用7.2BIM技術(shù)在空間桁架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用1協(xié)同設(shè)計(jì)多專業(yè)信息整合碰撞檢測(cè)減少施工錯(cuò)誤信息管理構(gòu)件信息關(guān)聯(lián)施工模擬虛擬施工過(guò)程7.3參數(shù)化設(shè)計(jì)方法7.4優(yōu)化設(shè)計(jì)算法拓?fù)鋬?yōu)化優(yōu)化桿件布置減少冗余構(gòu)件提高結(jié)構(gòu)效率尺寸優(yōu)化優(yōu)化截面尺寸減少材料用量滿足強(qiáng)度要求形狀優(yōu)化優(yōu)化節(jié)點(diǎn)位置改善力流路徑降低應(yīng)力集中第八章：空間桁架的性能評(píng)估靜力性能承載能力與變形控制動(dòng)力性能振動(dòng)特性與動(dòng)力響應(yīng)疲勞性能長(zhǎng)期循環(huán)荷載下的耐久性抗震性能地震作用下的安全性8.1靜力性能評(píng)估強(qiáng)度檢驗(yàn)桿件內(nèi)力與許用應(yīng)力比較1剛度檢驗(yàn)變形與允許撓度比較2穩(wěn)定性檢驗(yàn)整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定分析3節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算節(jié)點(diǎn)承載力與連接強(qiáng)度48.2動(dòng)力性能評(píng)估0.5Hz基本頻率結(jié)構(gòu)自振頻率下限值2-5%阻尼比常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)阻尼范圍3-5振型數(shù)量通常考慮的主要振型8.3疲勞性能評(píng)估8.4抗震性能評(píng)估1小震水平基本不損壞2中震水平可修復(fù)損壞3大震水平不倒塌8.5風(fēng)振性能評(píng)估靜風(fēng)荷載風(fēng)壓系數(shù)計(jì)算風(fēng)荷載分布分析動(dòng)風(fēng)荷載陣風(fēng)效應(yīng)脈動(dòng)風(fēng)壓渦激振動(dòng)卡門渦街影響鎖定效應(yīng)顫振分析氣彈失穩(wěn)臨界風(fēng)速第九章：空間桁架的維護(hù)與加固定期檢查發(fā)現(xiàn)早期問(wèn)題評(píng)估狀態(tài)確定損傷程度維護(hù)保養(yǎng)日常維護(hù)措施加固修復(fù)針對(duì)性加固方案9.1日常檢查與維護(hù)檢查項(xiàng)目檢查周期檢查方法外觀檢查半年目視檢查防腐層檢查一年測(cè)厚儀檢測(cè)連接節(jié)點(diǎn)檢查一年緊固度檢查變形測(cè)量二年精密測(cè)量9.2損傷評(píng)估方法外觀檢查法目視檢查照相記錄缺陷標(biāo)記無(wú)損檢測(cè)法超聲波探傷磁粉探傷射線檢測(cè)靜力加載試驗(yàn)位移測(cè)量應(yīng)變測(cè)試承載能力評(píng)估9.3加固技術(shù)節(jié)點(diǎn)加固加設(shè)加勁板更換連接件增設(shè)連接構(gòu)件桿件加固截面加大粘貼鋼板更換新桿件整體加固增設(shè)支撐系統(tǒng)改變傳力路徑增設(shè)阻尼裝置第十章：空間桁架的創(chuàng)新與發(fā)展趨勢(shì)新材料應(yīng)用復(fù)合材料與高性能鋼智能結(jié)構(gòu)傳感監(jiān)測(cè)與自適應(yīng)調(diào)節(jié)可持續(xù)設(shè)計(jì)低碳環(huán)保與循環(huán)利用10.1新材料應(yīng)用10.2智能結(jié)構(gòu)技術(shù)1傳感監(jiān)測(cè)光纖傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)2數(shù)據(jù)處理大數(shù)據(jù)分析預(yù)警3智能調(diào)節(jié)主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)行為4全壽命管理數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用10.3可持續(xù)設(shè)計(jì)理念節(jié)能減排減少碳排放優(yōu)化材料用量可循環(huán)利用模塊化設(shè)計(jì)易于拆卸重組能源集成光伏面板整合雨水收集系統(tǒng)全壽命周期從設(shè)計(jì)到拆除整體環(huán)境影響最小10.4裝配式空間桁架標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)模數(shù)化尺寸系統(tǒng)構(gòu)件通用性工廠化