工科男 | 复杂空间钢结构分析与设计探讨

文 | 成都一公司结构二室  罗永成

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前言

近年来，随着大众对建筑外形审美的不断提高，形状怪异的复杂空间建筑结构不断出现，而钢结构以其良好的受力性能被广泛的应用于此类结构中。复杂空间钢结构的出现对结构工程师提出了更高的要求，如何对该类型结构进行简化、建模、分析、设计以及出图是我们急需解决的问题。本文通过已有的工程经验，并结合审图单位、施工单位的宝贵意见，对复杂空间钢结构的分析与设计全过程进行探讨，总结了部分分析与设计方法，可供此类结构的设计提供参考。

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空间复杂结构概述

空间结构是相对于具有较为明显层概念的结构而提出的，这类结构无法用简单的平面、立面、剖面表示其结构施工图。空间复杂结构构件呈三向受力状态，且一般跨度大、形式复杂，它采用特殊结构解决传统的梁、柱构件受力的问题。常见结构类型有网架结构、悬索结构、壳体结构、管桁架结构、膜结构等类型。 空间结构能适应不同跨度、不同支承条件的各种建筑要求；形状上也能适应正方形、矩形、多边形、圆形、扇形、三角形以及由此组合而成的各种形状的建筑平面、立面；同时，该类建筑造型轻巧、外形美观，主要用于车站、飞机场、体育馆等大型公共建筑。

复杂空间钢结构典型实例

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建模过程

复杂空间建筑结构在结构介入之前，建筑通常会有三维的SU模型或者犀牛模型配合建筑的平立剖面图作为项目的表达。而结构建模时，依据其三维模型来布置空间杆件，考虑到后期模型和出图的准确性，需要建筑给出较为精确的三维模型，同时需要给出结构中心线组成三维表面。下面以某售楼中心为例介绍复杂空间结构的建模、分析和出图过程。首先预估幕墙的厚度，将建筑外皮整体内偏300mm即为结构中心线表皮（预估结构管件大小在∅200左右）。

将此SU模型导出到DXF，通过CAD打开后进行线框模型的建立。

将此


SU


模型导出到


DXF


时应注意以下几个方面：

1）导出dxf模型时应附加建筑外表皮以及内表皮，以确定屋盖结构模型不与主体结构发生碰撞，且不超出建筑外立面；

2）dxf模型应附加上相应的建筑轴网，并与主体结构的相对位置完全正确，如下图为建立好以后的结构三维线框模型；

结构三维线框模型

3）将整体模型及轴网、主体结构等以某一个明确的且离模型较近的点作为模型的原点移动到CAD图中的原点位置（一般选在整个模型的左下角，主轴网交点处，Z向原点相对于建筑的实际标高根据实际确定），后期出图时会给出节点、杆件相对于这个原点的相对坐标作为图纸的三维空间表达；

4）将建立好的三维线框模型另存dxf，导入到midas/gen模型中进行材料构件定义、结构分析。

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分析过程

在midas/gen中进行结构分析时应特别注意：

1、自重应定义在恒载中，自重系数根据情况取≥1.0。当结构节点处采用少量的焊接球或螺栓球时一般取为1.1，对网架结构球节点较多时自重系数一般取为1.2，同时注意自重系数的方向，如图中为竖直向下，即重力方向；

2、定义荷载工况，根据需要定义荷载工况如右图所示，荷载组合可先采用软件自动组合，基本能按荷载规范的要求将基本的恒载、活载，风荷载，地震等进行组合，但温度荷载不能自动组合，需要自动生成后进行手动组合，空间复杂结构的风荷载需要根据风洞实验或者经验得出的体型系数，换算成风荷载标准值，再采用面荷载加到结构中去；

3、复杂结构应补充时程分析和屈曲分析，特征值屈曲系数一般不小于15，这时通常情况下非线性屈曲系数不会小于4.0；

4、结果查看时主要查看以下几个方面：

1）周期振型是否有异常。

2）变形是否满足要求。

3）查看应力是否满足要求。

4）构造条件是否满足要求。

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节点分析及设计

1、常用节点种类

复杂空间钢结构的节点主要采用焊接空心球节点、相贯焊节点、铸钢节点以及销轴节点等。

1）焊接空心球节点

焊接空心球是将按设计要求确定的两块圆钢板经过热压或冷压加工成两个半圆球壳、再对接焊接成一个整体。焊接空心球分为无肋空心球和有肋空心球，其中有肋空心球为在球壳内部增设环形加劲板。有肋空心球又可分为单肋空心球和双肋空心球，双肋空心球又分为平行或十字交叉双肋空心球。

焊接空心球设计时主要先预估焊接球的外径、壁厚以及加劲肋的厚度，整体结构分析完成后通过读取杆件内力再验算是否满足要求。

2）相贯焊节点

相贯焊节点是指管件之间沿着相贯线进行的无缝焊接，相贯线通常采用数控机床切割相交杆件所得，需注意区分主管与支管。实际设计时当管件相交夹角较小时，相贯线会有很长相交范围，与软件计算假定不符，此时相贯焊节点应做加强处理，例如在相交面增加中间肋板、相交段范围内增加加强套管等。相贯焊节点的分析与设计在《空间网格技术规程》中有详细介绍。

相贯焊节点

3）铸钢节点

铸钢节点主要用于受力大，节点构造复杂的重要性节点。铸钢节点受力性能好，节点可靠度高，但是


需要提前定制模具，施工周期较长且经济性差，设计时需考虑。

铸钢节点

4）销轴节点

销轴节点具有构造简单、传力明确，能够理想的实现铰接连接等优点，在建筑钢结构中得到广泛的应用。

2、节点有限元分析

常用有限元分析软件主要有ansys、abaqus以及midas/gen等。Ansys建模精度要求最高，很小的误差或者设置不符合软件的要求均计算不出结果；abaqus建模要求相对较低，一般都能算出结果，但需要设计人员自己判断结果的正确性，且有软件界面友好，学**相对简单；midas/gen的分析功能不如前两个软件强大，用到的也相对较少。

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出图内容

空间复杂结构不能用明确的平面、立面和剖面进行图纸表达，因此出图时需要将传统的平、立、剖面图与结构三维轴测图以及细部放大图、节点和杆件坐标表等相结合作为图纸表达。

此项目主要设计图纸如图所示，除了传统“图纸目录”、“钢结构设计总说明”以及“预埋件布置图”和“节点详图” 外，增加了“结构三维轴测图”、“结构俯视图”、“支座节点编号图”、“节点坐标表”以及“杆件编号表”。

结构三维轴测图和结构俯视图需要在建立完结构三维实体模型后才能给出，cad三维实体图中应包含的内容有：

1）各个杆件的截面规格；

2）需要增加球节点的位置和大小；

3）支座节点信息。

实际建立三维模型时一般将杆件规格作为图层的名字并以不同的颜色加以区分，杆件的大小按实际规格建立，整个模型与建筑的相对位置与项目实际应保持一致，包括标高。焊接球按实际规格建立，规格作为图层的名字，也用颜色区分。构件大小、球节点大小以及相对位置如果都和项目实际一致就很容易进行碰撞检查，并能给甲方以及施工单位直观感受，便于施工和项目呈现。

结构三维实体模型建立时，可用MIDAS分步导出构件中心线，然后再分别指定图层和构件规格，并通过放样确定增加焊接球的位置及大小，并用CAD放样出结构支座的相关做法。实体模型完成后可用于生成结构三维轴测图以及俯视图或立面图，并能给设计师直观感受，是否符合设计要求。同时实体模型可用于加工厂构件加工，施工单位施工参考以及对甲方的项目展示。

注意：焊接球的位置和大小应在节点坐标表中给出。

绘制节点坐标表以及杆件编号表时应注意：

1）这部分内容应放在三维实体模型以及其余二维图


纸基本完成后绘制，如后期有改动，返工量较大；

2）下图的节点分布图以及杆件分布图应与结构三维实


体模型和相应表格一一对应，如节点处是否有焊接球，焊接球的大小都需对应并与实际相符；

3）节点分布图、杆件分布图较多时可以分部给出，避免表达不清楚，如果某个节点或杆件有变化时可只改相应位置，其余位置不改变，否则工作量太大。

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总结

复杂空间钢结构的种类非常多，其分析设计方法也不是几篇分析设计流程所能概括，本文结合实际工程案例，简要介绍了这类结构分析设计过程及要点，仍有很多不够完善的地方有待进一步研究解决。