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用有限元法分析包头新建体育场罩蓬与下部结构的相互作用

作　者: 刘莎
导　师: 田志昌
学　校: 内蒙古科技大学
专　业: 防灾减灾工程及防护工程
关键词: 复杂结构力学计算温度罩蓬型钢混凝土体育场有限元法
分类号: TU399
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着北京奥运会的成功召开，相继建成一大批体育场馆。这些体育场馆多是大跨度复杂结构，设计理念与传统的高层建筑结构截然不同。这些复杂结构的奇特的造型，给设计和施工造成了前所未有的困难和挑战，使目前对体育场馆的研究越来越多。这些体育场馆一般上部采用钢结构，并且都是大跨度空间结构，这种结构受力比较复杂，风荷载和温度荷载对结构的内力和位移影响较大，这种影响涉及到施工和整个使用过程的安全性问题。因此，不管是施工过程中还是建成后，力学分析对于复杂结构都是非常重要的。包头新建体育场是受力复杂的大跨度空间结构，其上部罩蓬采用钢结构，下部看台采用钢筋混凝土结构，罩蓬与下部结构的相互作用是影响结构整体安全性的最重要因素之一。体育场钢结构工程结构体系复杂，跨度大，结构本身的温度变形和温度应力较大，在结构使用过程中，温度变化对结构内部杆件的受力影响较大。上部罩蓬在温度作用下产生很大的变形，对下部结构产生很大的作用。在夏季高温作用下，体育场支撑罩蓬的柱产生了裂缝，这对结构的整体安全性带来了一定的影响。本文基于这一具体工程实例用有限元法分析温度对体育场的变形的影响。首先，本文对体育场力学计算的理论进行分析，引入温度荷载和温度应力的概念及其计算方法。其次，运用SAP2000建立有限元模型，进行力学分析。最后，对温度引起的变形进行分析，运用SAP2000分析温度引起的作用，将SAP2000计算的位移与实际观测的位移进行比较，分析出温度变形对体育场罩蓬支撑柱的影响。在上述温度分析的基础上，本课题对体育场支撑罩蓬的柱进行力学分析。本课题采用理论公式计算和Fortran90语言编制相应的计算程序两种方法来分析型钢混凝土柱的受力情况，进而根据编程的计算结果绘制极限荷载N P MP曲线，同时将SAP2000计算的内力值放到极限荷载N P MP曲线图中，找到可能会使截面发生破坏的内力值和相应的荷载组合，在此基础上找到存在危险的柱，并提出解决方案。通过分析和计算可以看出，温度荷载在上部罩蓬与下部结构相互作用中占有很重要的比重，在某些工况作用下支撑体育场罩蓬的柱是危险的，特别是在温度荷载和风荷载的共同作用下。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
引言  10-11
1 综述  11-22
  1.1 复杂结构  11-13
    1.1.1 复杂结构概述  11-12
    1.1.2 复杂结构体育场出现的必然性及其发展现状  12
    1.1.3 力学计算的研究对复杂结构体育场的重要性  12-13
  1.2 力学计算研究的现状  13-17
    1.2.1 施工力学问题及分析方法的研究  13-15
    1.2.2 复杂工程结构简化及多工况结构计算分析的研究  15
    1.2.3 对力学计算方法的研究  15-17
  1.3 近年来有限元研究的进展  17-18
  1.4 课题的研究目的、意义及主要工作  18-22
    1.4.1 课题的提出  18-19
    1.4.2 研究目的与意义  19-20
    1.4.3 主要研究工作  20
    1.4.4 本文主要创新点  20-22
2 体育场力学计算的理论分析  22-27
  2.1 结构计算问题的力学方法  22-23
    2.1.1 结构力学计算的基本方法  22
    2.1.2 由基本方法发展得来的方法  22-23
  2.2 温度应力和温度荷载的概念及其计算方法  23-24
  2.3 温度对大跨度钢结构的作用  24
  2.4 体育场力学计算的有限元分析思路  24-27
3 工程概况及模型的建立  27-32
  3.1 包头新建体育场简介  27-28
  3.2 有限元模型的建立  28-32
4 包头新建体育场温度引起的内力和变形分析  32-47
  4.1 用有限元法分析温度引起的作用  32-38
    4.1.1 工况分析  32
    4.1.2 SAP2000 模拟计算内容  32-35
    4.1.3 计算结果比较分析  35-38
  4.2 用 SAP2000 分析温度引起的位移  38-42
  4.3 罩蓬支座位移实际观测结果分析  42-45
  4.4 温度变形对体育场罩蓬支撑柱的影响  45-46
  4.5 本章小结  46-47
5 包头体育场型钢混凝土柱的力学分析  47-70
  5.1 型钢混凝土结构计算所用的理论  47-51
    5.1.1 型钢混凝土结构体系  47
    5.1.2 型钢混凝土构件的计算  47-48
    5.1.3 型钢混凝土柱的计算公式  48-50
    5.1.4 编程所运用的数值迭代法的基本理论  50-51
  5.2 改进的简单叠加法的计算分析  51-63
  5.3 用 Fortran 语言编程计算分析  63-66
  5.4 绘制N_P-M_P曲线  66-68
  5.5 改进的简单叠加法计算和编程计算的比较分析  68-69
  5.6 本章小结  69-70
结论  70-72
参考文献  72-76
在学研究成果  76-77
致谢  77

用有限元法分析包头新建体育场罩蓬与下部结构的相互作用

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