立体钢桁架（通用7篇）
立体钢桁架 篇1
0前言
目前, 用神经网络进行结构损伤识别的研究绝大多数都是针对相对简单结构的, 而对复杂结构的损伤识别研究的比较少。本文运用神经网络针对一空间立体钢桁架进行了计算和研究。运用PNN分类网络确定出结构损伤所在的子结构[1], 即用ANSYS软件的模态分析功能模拟不同的损伤情况, 得出结构的动力反应参数模态频率, 将这些参数加工后作为PNN神经网络的输入识别向量, 以损伤所在的子结构为输出目标训练网络, 再用同样的方法得出不同损伤状况下的识别向量来检验训练好的网络性能。
1 PNN神经网络[2]
PNN神经网络是一种可用于模式分类的神经网络, 其实质是基于贝叶斯最小风险准则发展而来的一种并行算法。PNN神经网络的层次模型是Specht根据贝叶斯分类规则与Parzen的概率密度函数提出的。在训练网络时, 网络直接存储训练样本向量为网络的模式样本向量, 而不做任何的修改, 只需对高斯函数的平滑因子进行经验式统计的估计, 过程极为简单。在网络工作时, 待识别样本X由输入层直接送到模式层各个类别单元中, 在模式单元中进行向量X与W的点积。完成非线性处理后, 再送入求和层中;求和层中个单元只与相应类别的模式单元相连, 并且依据Parzen方法求和估计各类的概率;在决策层中, 根据对输入向量的概率估计, 按贝叶斯分类规则将输入向量分到具有最大后验概率值的类别中去。
2立体钢桁架的损伤初步定位算例仿真
本文是以一个大型体育馆的转换立体桁架为例进行计算和研究的, 该立体桁架是由两榀平面桁架组成的矩形空间桁架, 总长68.875 m。中间主跨42 m, 高4.2 m, 宽1.56 m。由钢板焊接牛腿支撑。杆全部为矩形钢管, 下弦平面腹杆为200×200×10 (mm) , 立面腹杆160×160×5 (mm) , 上弦平面腹杆250×250×12 (mm) , 下弦杆300×300×12 (mm) , 上弦杆500×300×18 (mm) 。弹性模量EX=2.06e11Pa, 钢材密度为7 850 kg/m3。模型图见图1。采用ANSYS建模。
本文把该桁架分为上弦杆, 上平面腹杆, 立面腹杆, 下弦杆和下平面腹杆五个子结构[1]。但对立体桁架进行受力分析以后, 只有上弦杆、上平面腹杆和立面腹杆若干杆件应力比较大。故本文主要针对上弦杆、上平面腹杆和立面腹杆进行损伤识别。在数值模拟中, 考虑了一根杆件刚度降低的单损伤情况 (以下简称单损伤) 。
立体桁架上弦杆对应的编号为L75～L140;上平面腹杆对应的编号为L355～L416;立面腹杆对应的编号为L149～L292;下平面腹杆对应的编号为L293～L354;下弦杆对应的编号为L1～L33和L42～L74。立体桁架杆件编号见图2。
2.1 网络输入参数的选取
运用神经网络进行结构损伤识别时, 经常选用的神经网络输入参数主要是和损伤位置、损伤程度有关的参数。本文用到的网络输入参数为:频率变化率FFCi[3]、标准化的频率变化率NFCRi[3]和频率平方的变化比NSFRi[3]。公式如下:
undefined;undefined;undefined
式中, fui和fdi分别为结构损伤前后的第i阶频率;P为实测模态的阶数。
2.2PNN网络单损伤初步定位的训练和测试
首先使结构单根杆件发生50%的损伤 (弹性模量减少50%) , 求出每一种工况下结构的前六阶固有频率;然后再以这些固有频率为基础分别算出PNN网络的输入参数:标准化的频率变化率NFCRi和标准化的频率变化比NFSRi作为网络的训练数据。训练样本中杆件编号及损伤程度见表1, 共有5×1+4×1+10×1+4×1=23种工况。
测试样本集选择训练样本集中未出现过的样本, 且测试杆件的损伤程度与训练样本的损伤程度也不相同, 以检验神经网络的泛化能力。测试样本的杆件编号及损伤程度见表2。共有5×1+3×1+7×1+1×1=16种工况 (由于篇幅限制, 只列了部分测试情况) 。
因为立体桁架主要受力的部位是上弦杆和上平面腹杆, 为了减少计算量, 单损伤初步定位时只考虑了上弦杆、上平面腹杆、立面腹杆和下弦杆的损伤情况。把上弦杆, 上平面腹杆, 立面腹杆和下弦杆分别定义为第1, 2, 3, 4四类子结构。单损伤样本的训练与测试时, 可以把输出目标定义为一个四维的向量, 就可以区分出损伤杆件所在的子结构。例如上弦杆的损伤输出为 (1 0 0 0) , 代表第一类输出, 通过转化用1表示;上腹杆损伤输出为 (0 1 0 0) , 代表第二类输出, 用过转化用2表示等等。
(1) 以标准化的频率变化率NFCRi为网络输入向量。
SPREAD参数在0.1～0.5之间变化时测试结果的正确率相同, 只是识别错误的杆件不同, 大于0.5时正确率就明显降低, 输出变成了一种或两种模式。表2是SPREAD参数取0.1时的结果, 正确率为94%。
(2) 以标准化的频率变化比NFSRi为网络输入向量。
SPREAD参数在0.1～0.5之间变化时测试结果的正确率相同, 只是识别错误的杆件不同, 大于0.5时正确率就明显降低, 输出变成了一种或两种模式。表3是SPREAD参数为0.1的结果, 正确率为93%。因为杆件190的第一阶频率变化为0。故它的频率变化比不存在, 也就没有测试结果。
3结论
由上面立体桁架单损伤结构测试的结果可以得出以下结论:
对于单损伤子结构的定位, 以标准化的频率变化率NFCRi为网络输入量进行训练和测试时, 正确率高达94%, 定位错误的唯一杆件是上弦杆, 把它错误的归在了上平面腹杆当中了。以标准化的频率变化比NFSRi为网络输入量进行训练和测试时, 正确率为93%, 除了一个因为标准化的频率变化比NFSRi不存在外, 定位错误的杆件也与以标准化的频率变化率NFCRi为网络输入量时定位错误的相同。 [ID:7312]
参考文献
[1]冯立芳.小波和神经网络相结合的结构损伤识别方法[D].杭州:浙江大学, 2006.
[2]飞思科技产品研发中心.神经网络理论与MATLAB7实现[M].北京:电子工业出版社, 2006.
[3]姜绍飞.基于神经网络的结构优化与损伤检测[M].北京:科学出版社, 2002.
立体钢桁架 篇2
关键词：立体钢桁架,RBF神经网络,损伤具体定位
0前言
目前, 用神经网络进行结构损伤识别的研究绝大多数都是针对相对简单结构的, 而对复杂结构的损伤识别研究的比较少。本文运用神经网络针对一空间立体钢桁架进行了计算和研究。以发生损伤的子结构[1]中的具体杆件为研究对象, 将其动力参数加工成的识别向量作为RBF网络的输入向量, 以具体损伤杆件的位置为输出目标训练网络, 再用不同的损伤状况来检验之。
1损伤具体定位神经网络及网络输入参数的选取
损伤具体定位网络为RBF神经网络[2], 输入参数是采用归一化的损伤信号指标[3]NDSIi和组合损伤指标[3]两种指标进行对比。本文采用的组合损伤指标是把标准化的频率变化率NFCRi和归一化的损伤信号指标NDSIi组合在一起的损伤指标用向量X表示。公式如下:
undefined;undefined;
undefined;undefined;
X={NFCR1, NFCR2…NFCRm, NDSI1, NDSI2…NDSIn}
式中, ϕui和ϕdi分别为结构损伤前后的i阶振型;DSIimax及DSIimin分别为样本空间的上下限;fui和fdi分别为结构损伤前后的第i阶频率;P为实测模态的阶数。
2立体钢桁架的损伤初步定位算例仿真
本文是以一个立体桁架为例进行计算和研究的, 该立体桁架是由两榀平面桁架组成的矩形空间桁架, 总长68.875 m。中间主跨42 m, 高4.2 m, 宽1.56 m。由钢板焊接牛腿支撑。杆全部为矩形钢管, 下弦平面腹杆为200×200×10 (mm) , 立面腹杆160×160×5 (mm) , 上弦平面腹杆250×250×12 (mm) , 下弦杆300×300×12 (mm) , 上弦杆500×300×18 (mm) 。弹性模量EX=2.06e11Pa, 钢材密度为7 850 kg/m3。模型图见图1。采用ANSYS建模。
3 RBF网络单损伤具体定位的训练和测试
通过损伤识别确定出损伤杆件所在的子结构[1]以后, 接下来的任务就是进一步确定出损伤杆件的具体位置, 也即杆件的编号。对于单损伤的情况, 立体桁架只考虑上弦杆的单损伤一种情况。
立体桁架划分成了上弦杆, 上平面腹杆, 立面腹杆、下弦杆和下平面腹杆五个子结构[1]。但是立体桁架主要承重的部位是中间的42 m跨度的桁架, 这时主要受力的构件是:上弦杆, 对应的编号为L80～L100和L113～L133;上平面腹杆, 对应的编号为L369～L402;立面腹杆, 对应的编号为L158～L206和L230～L278;下平面腹杆, 对应的编号为L302～L340;下弦, 对应的编号为L6～L25和L47～L66。立体桁架杆件编号见图2。
训练样本的选择原则是使结构单根杆件发生60%的损伤 (弹性模量减少60%) , 求出每一种工况下结构的前六阶固有频率和前两阶振型 (第一阶为Z方向振型简称Z1阶, 第二阶为Y方向振型简称Y2阶) ;因为桁架的杆件太多, 这里考虑用部分振型代替完整振型进行损伤的具体定位, 对上弦杆的单损伤情况用上弦杆结点的振型来代替完整振型。然后再以这些固有频率和振型为基础分别算出RBF网络的输入参数, 归一化的损伤信号指标NDSIi和组合损伤指标。作为网络的训练数据进行训练。考虑到桁架的对称性, 根据应力分布大小, 取上弦杆的一半, 也就是杆件L80～L100重新定义为单元1, 2…21。把单元的编号当做函数值, 作为网络的输出目标。
测试样本集选择训练样本集中未出现过的样本, 以检验神经网络的泛化能力。本文用与训练样本同样的方法生成了损伤杆件的测试样本集 (由于篇幅限制, 只列了部分测试情况) 。
(1) 以归一化后的损伤信号指标NDSIi为网络输入向量。
训练和测试向量用Z1阶方向的振型。SPREAD参数为0.2时误差最小, 正确率为75%。测试结果见表1。
(2) 以组合损伤指标X={NFCR1, NFCR2…NFCRm, NDSI1, NDSI2…NDSIn}为网络输入向量。
训练和测试向量仍然用Z1阶方向的振型。SPREAD为 0.3时误差最小, 正确率为75%。结果见表2。
4 RBF网络双损伤具体定位的训练和测试
两个杆件同时损伤时, 要想定位出损伤杆件的具体编号, 同单损伤识别步骤类似, 所不同的是对于两根损伤杆件在不同子结构的需要建立不同的训练网络分别进行训练和测试。这里考虑损伤一个在上弦杆, 一个在上平面腹杆时的双损伤情况。
4.1 双损伤时上弦杆的具体定位的训练和测试
损伤的两根杆件在两个不同子结构时, 虽然损伤是由两根杆件同时引起的, 但是在网络训练和测试中, 每次只考虑一个子结构中损伤杆件的具体位置。输出目标向量为这些杆件的重新单元编号。那么测试的结果也就是我们要求的双损伤中该杆的位置。然后再对另一结构损伤的杆件建立独立的网络进行训练和测试, 网络输出目标向量为该杆的重新单元编号。
(1) 以归一化的损伤信号指标NDSIi为网络输入向量。
训练和测试向量用Y2阶方向的振型。SPREA参数为1.1时误差较小, 正确率为67%。测试结果见表3。
(2) 以组合损伤指标X={NFCR1, NFCR2…NFCRm, NDSI1, NDSI2…NDSIn}为网络输入向量。
训练和测试向量用Y2阶方向振型。SPREAD参数为1.1时误差较小, 正确率为67%。测试结果见表4。
4.2 双损伤上平面腹杆杆具体定位的训练和测试
(1) 以归一化的损伤信号指标NDSIi为网络输入量的训练和测试。
训练和测试向量用Y2阶方向振型。L370～L383重新定一为单元2, 3, |…15, SPREAD取1.0时误差最小测试结果见表5, 正确率为60%。
(2) 以组合损伤指标X={NFCR1, NFCR2…NFCRm, NDSI1, NDSI2…NDSIn}为网络输入量的训练和测试。
训练和测试向量用Y2阶方向振型。SPREAD参数为1.0时误差较小。测试结果见表6, 正确率为60%。
5结论
(1) 对于立体桁架的单损伤, 以归一化的损伤信号指标NDSIi为网络输入量时, 损伤具体定位的正确率为75%;以组合损伤指标为网络输入量时的正确率也是75%, 两指标定位错误的杆件也相同, 所不同的只是SPREAD参数的取值不同。
(2) 对于立体桁架的双损伤, 以归一化的损伤信号指标NDSIi为网络输入量时, 上弦杆损伤具体定位的正确率为67%, 上平面腹杆损伤具体定位的正确率为60%;以组合损伤指标为网络输入量时, 上弦杆损伤具体定位的正确率也是67%, 上平面腹杆损伤具体定位的正确率为60%。两指标定位区别不大。
参考文献
[1]冯立芳.小波和神经网络相结合的结构损伤识别方法[D].杭州:浙江大学, 2006.
[2]飞思科技产品研发中心.神经网络理论与MATLAB7实现[M].北京:电子工业出版社, 2006.
刍议钢桁架吊装施工安全技术 篇3
钢结构具有施工方便、工期短、效率高的优点, 但其加工后的整体提升过程存在高空作业、起重量大、危险性高的缺点, 加强这一环节的安全技术措施, 是钢结构工程施工的重中之重。下面重点论述钢桁架整体提升过程中的安全技术措施。
1 起吊过程的安全措施
1.1 建立安全警戒区
针对起升过程中可能造成危害人身安全及影响起吊过程正常进行的区域范围建立警戒区, 设置专人把守, 明确统一负责并建立24 h值班制度。起吊过程严格限制施工现场人员流动。
1.2 高空安全作业措施
高空防护作业区域应建立健全安全防护设施、做好防高空坠落的防范措施。起吊前搭设完成高空组对区域脚手架。
1.3 钢结构吊装安全措施
1) 严禁酒后作业和在工地吸烟, 并服从现场管理人员指挥。严格按照“十不吊”规定进行指挥, 并做好每天对工人班前安全交底。2) 结构吊装人员进入施工现场, 要戴好安全帽、系好帽带、穿好工作服、工作鞋。高空作业 (2m以上) 须系好安全带。专业人员佩戴专职标志。信号工的旗、哨或对话机要随身携带。3) 严禁起重机超负荷作业。在构件起吊时, 要在合理位置绑扎溜绳。在构件起吊离地面50cm处时, 起重工应再次确认构件绑扎牢固后, 方可起升。构件起吊的速度不可过快。构件起吊时构件上严禁站人或放零散未装容器的构件。4) 信号指挥者言语、信号应和塔吊司机保持一致, 指挥要口齿清楚, 塔吊司机要听从信号工指挥。5) 钢构件就位应缓慢下落。下落放置时, 人员应扶在构件外侧, 不得将手扶在构件与地面、构件与构件的连接面, 放置楔铁时手应握住垫铁两侧, 并且手不得放在或伸入构件下方。
1.4 安检措施
定期进行安全检测, 预防完善起吊过程中的安全检测、预防措施。1) 起吊工程中千斤顶应有专人监测并通过步话机及时通报运行情况。严防千斤顶打滑等失效情况。2) 监测油泵工作情况, 出现过热、漏油、输出压力不稳时应及时通报, 经总指挥同意后统一停车, 严禁单方自作主张单独停车。3) 起吊工程中桁架两端增设稳绳, 以防钢桁架晃动保证起升过程的平稳进行。4) 起升到位后杆件焊接时, 做好钢绞线的防电弧烧伤和钢绞线及锚件做好绝缘工作。
为保证起吊工程的顺利进行, 本着安全第一、预防为主的原则, 在起吊前应做好应急防范准备, 制定相应的防范措施。
2 钢桁架提升时的安全围护措施
钢桁架在提升前, 牛腿及与之相连的钢桁架构件上预先分别搭设操作防护脚手架, 并满挂安全网, 钢桁架上预先焊好爬梯, 待提升完成后, 将同一层上的脚手架连成整体, 形成安全通道和安装、焊接操作平台。脚手架与钢柱、钢梁抱成稳定整体, 并预铺部分脚手板, 脚手板与脚手架应绑扎牢固。
3 提升期间的钢桁架悬停措施
提升期间的钢桁架悬停包括夜间悬停及不利气候时悬停。由于钢桁架提升的速度为6m/h, 每天结束的时间也应考虑方便钢桁架夜间悬停的位置, 提升期间的钢桁架悬停时须采取有效的稳固措施。悬停点的稳固采用Φ16钢丝绳, 在钢桁架每端的弦杆第一个节点处分别设置2根钢丝绳, 另一端与建筑结构连接。连接点采用同样规格的钢丝绳, 钢丝绳采取穿门洞环抱中间混凝土墙体的方式。
4 桁架就位后安全措施
4.1 建立安全防护区。
针对桁架就位后两端处的构件安装与焊接工作, 对可能造成危害人身安全及影响操作工作正常进行的区域范围建立防护区, 设置明显的标识, 严禁无关人员进入防护区内。操作过程中严格限制施工现场的人员流动。
4.2 消防措施。
CO2气体保护焊, 作业前先预热15min。开气时, 操作人员必须站在气瓶嘴两侧。CO2气体预热时的电压不得高于36V。CO2气瓶应放在阴凉处, 其最高温度不超过30℃, 并应放置牢靠, 不得靠近热源。气焊点火时不能对人, 燃烧的割炬不能随手放置。乙炔气瓶必须装有防火装置。氧气表、乙炔表及割炬上不得沾有油污、油脂。氧气瓶和乙炔瓶要保持10m以上的距离, 搬运氧气、乙炔瓶时不应碰撞, 乙炔、氧气瓶不能同车运送。氧气、乙炔瓶严禁物体打击, 要有防雨、防晒措施, 乙炔瓶须立放。构件堆放场区用麻绳围好做警戒标志, 严禁非作业人员进入。工完场清。工作完毕后将氧气、乙炔瓶关闭好。检查作业场地, 确无火灾危险后, 方可离开。
4.3 高空安全作业措施。
进入高空作业, 要系好安全带并将其挂在安全绳上或者将安全带系牢固, 随身的工具要挂好或放入工具包中。高空作业时上下传递工具应用绳索绑好递送, 严禁抛撒。在高空区域内, 任何零散的小构件及物品、工具、容器, 均不得随手乱放, 一定要挂好或放在容器内并将容器固定好。6级以上大风、雨、雪、浓雾阻碍视线天气, 严禁吊装作业。操作人员严禁在钢梁上直立行走, 必须要通过时安全带必须挂在梁的安全绳上, 脚要踩下翼缘, 手扶上翼缘而过。焊接和安装就位人员在高空进行操作时, 必须穿好劳保用品, 系好安全带。其余要求同1.2安全措施要求。
5 提升期间用电保障措施
在提升期间必须保障用电。每边提升设备的电源采用专用电源线。现场安排专业电工值班负责现场供电及安全用电。特殊原因停电时对提升设备进行停电保护措施。桁架高空就位焊接时应确保焊接回路仅形成于钢桁架和预埋牛腿间, 其地线与预埋牛腿接触应保证可靠导电, 同时做好下锚及钢绞线的绝缘。电源线严禁破皮外露。电焊工工作要戴齐面罩、手套、鞋盖。电焊机的一次电源线, 拆、接须由电工完成。电焊机需有接地保护。遇有雷电天气, 严禁电焊作业, 雨、雪天气, 禁止露天电焊作业。在电气焊施工前应清除施工点的易燃物。
6 设备故障排除措施
1) 液压系统泄漏:更换相应密封圈;2) 控制阀卡涩:清洗控制阀, 清洁油液;3) 异常情况紧急报警:在每个吊点设置有紧急停机按扭, 一旦出现异常情况可以实现全系统停机。
7 结语
“安全第一、预防为主”。钢桁架整体提升过程中各个环节的安全技术措施, 从起吊、提升、就位安装各个环节以及临时用电、消防、设备等各方面都显得极其重要, 对同类工程的施工安全起一定的参考和借鉴作用。
摘要：施工过程中加强各环节的安全防护措施, 才能在钢桁架整体提升过程中确保安全事故为零的良好效果, 才能保证圆满地完成工程任务。本文主要针对吊装安全施工的若干措施作出了分析。
关键词：吊装,施工安全,安检,措施
参考文献
结构力学钢桁架实验实践 篇4
结构力学[1]作为土木工程专业高等教育的重要组成部分, 对于高素质人才的培养有着承前启后的作用。长期以来, 结构力学教学工作以理论教学为主, 缺乏必要的实验教学作为支撑。这使得学生对于结构力学的学习难以有深入直观的了解, 不利于学生今后的深入学习。为了让学生能够更好的深入力学的学习, 并掌握实验研究的基本方法和技能, 增强开展实验研究的能力。目前, 国内大学已开始探索多种教学实验方法[2]。针对目前实验教学的需要, 结合已开展的实验教学的经验, 设计了一个固定式钢桁架结构力学实验系统。基于此实验系统, 学生能够运用所学的力学知识, 通过系统提供的结构, 拟定实验方案的具体步骤, 展开多种实验方案下的力学参数验证。通过实验学生可以进一步掌握结构力学桁架结构计算模型的简化原理, 理解理论计算方法的误差, 这样就做到了学生在实验中学习研究。
1 实验装置概况
1.1 实验装置设计
本次实验设计了一个缩小尺寸的屋架式钢桁架结构, 该屋架跨度为3 000 mm, 高度为800 mm。桁架的截面为双等边角钢, 各节点均由节点板焊接连接, 钢材等级为Q235-B, 焊条选择E4303。屋架形式和几何尺寸见图1。
1.2 实验装置截面尺寸设计计算
钢架节点荷载:F=1.35×15 k N=20.25 k N。
假定钢架杆件的连接均为铰接, 则屋架为静定结构, 内力计算与杆件截面无关。计算简图和内力系数分别如图2和图3所示。
以上计算可得, 杆件内力如表1所示。
杆件截面选择。
1) 上弦杆。
整个上弦杆采用等截面设计, 按照杆件AB, BC的最大设计值进行内力计算:
计算长度取较大值l0x=l0y=529 mm。
最大杆件压力为-64.4 k N, 取中间节点板和支座节点板的厚度均为8 mm。
设λ=60, 采用双角钢截面为B类截面, 查表得φ=0.8077, , 所所需截面面积为:
所需回转半径为:
根据ix, iy, A查角钢规格, 为取较大安全空间选用2∠50×50×3。
其中A=5.942 cm2, ix=1.55 cm。
由λx=32.13, 可查得φ=0.928, 则:
故此截面满足要求。
2) 下弦杆。
整个下弦杆采用等截面设计, 按照最大内力来进行界面设计, 因此取N=56.9 k N, 按《钢结构设计规范》5.1.1并考虑较少杆件类别和便于连接。选取下弦杆为2∠50×50×3, 经验算满足要求。
3) 斜腹杆与竖腹杆。
斜腹杆CD轴力N=-17.82 k N。
故满足要求。
同理, 可计算并简化设计得到斜腹杆BD, DE, EF, 竖腹杆FG杆件均选用2∠25×25×3。
综上, 该装置的截面汇总见表2, 实体图见图4。
1.3 测点布置
实验主要内容:1) 构件每段的中点应变值;2) 构件中AD, DE, CE, FG段两端横截面应变值。其中值得注意的是:1) 中应变片粘贴在每段中点横截面的中性轴的两侧, 2) 中应变片在上弦杆AD和下弦杆CE沿横截面分别粘贴5个应变片, 斜腹杆DE和竖腹杆FG沿横截面分别粘贴4个应变片。
1.4 加载制度
实验[3,4]采用等增量法, 选取3 k N作为每级增加的荷载, 每级加载完成后测定一次各测点的应变增量。荷载分为5级加载, 从0加载至15 k N。实验加载到15 k N即停止并卸载, 然后重复下一组实验。实验分为三组, 分别为三点对称加载、两点对称加载和两点不对称加载, 以下分别简称A组、B组、C组。每组实验重复进行三次以提高实验精确度。在试验正式开始前, 首先施加3 k N的竖向荷载, 主要用于检查仪表及应变片是否工作正常。
2 实验结果与分析
2.1 轴心受压分析
为了研究轴心受压状态下桁架的应力与理论是否吻合, 需要分别选取3个特征杆段如图5~图7所示。
其中图5~图7分别为A组实验中杆段AD, B组实验中杆段HJ, C组实验中杆段FI中点双角钢截面两个角钢各自的应变值。从图6中可以看出两块角钢的应变几乎完全重合;而图5和图7中加载初始阶段应变几乎完全相同, 在加载的最后阶段出现了微量的差值, 但属于正常的误差范围。总的, 从图5~图7中看出在轴心受压状态下双角钢截面中两个角钢所受的应力值大小基本相同 (图中+和-分别代表截面同一位置两侧的应变片测得的数据) 。
2.2 对称荷载分析
在对称荷载作用下, 本文中钢桁架构件在对称位置有相同的力值。实验中有两组为对称加载, 故选取两根特征杆段分析, 分别选取A组实验中杆段AD和杆段IL;B组实验中杆段EG和杆段GH。从图8和图9中看出, 在加载力大小等量增加的情况下, 对称位置应变值等量增加且对称位置的4个测点值几乎完全重合, 符合结构力学对于对称荷载的理论值。从得到的应变值来看, 同等条件下应变值最大相对误差约为8%, 实验值较符合实际情况。
2.3 桁架杆段轴力分析
当钢桁架构件受力后, 桁架内电阻应变片随杆件伸长或缩短, 使自身电阻改变。通过电测原理, 利用电阻应变仪可测得各杆段中性轴处的最大应变值εmax。依据虎克定律公式F=E·A·ε求得杆段所受的轴力实测值。从A组、B组、C组实验中分别选取4根杆段, 计算过程见表3~表5。
从表3~表5的三组实验数据分析可得:经过计算, 实测值与计算值的误差均在10%以内, 说明粘贴在钢桁架杆件中性轴位置的应变片能够较好的反映钢桁架结构在受力状态下轴力值的大小。
2.4 桁架杆段截面弯矩分析
由于实际钢桁架的结点采用焊接连接, 其结点是具有一定刚性的连接, 所以实际桁架杆件内不仅会产生轴向应力、还会产生弯曲应力和剪切应力。选取杆段DE作为特征杆段, 钢桁架的弯矩计算值采用ANSYS通用有限元程序Beam189单元分析得到, 该单元是基于Timosheuco梁理论, 考虑剪切变形的空间三维薄壁梁单元, 沿单元轴向采用三节点二次插值, 每个节点七个自由度 (考虑翘曲) , 能够考虑大转动、大应变等几何非线性及弹塑性情况。它不仅适用于开口、闭口薄壁截面, 而且也能够自定义截面形状。本次计算钢架被划分为306个Beam189单元。
杆段弯矩实测值由计算公式:得到, 计算过程见表6。
由表7数据分析可得:杆段DE弯矩实测值与计算值误差较大, 但是在比较弯矩产生的应力与轴力产生的应力时可见, 弯矩产生应力与轴力产生应力的比值很小。故实际桁架构件按理想桁架计算完全可以满足要求。
2.5 误差分析
通过分析以上实验数据, 产生误差的主要原因有:
1) 钢桁架各杆件之间为焊接连接, 结点具有一定刚性, 故实际结构为超静定, 超静定结构在焊接过程中会产生初始弯矩, 从而对测量结果造成影响;
2) 钢桁架各连接节点处通过加固盖板连接, 故在实际结构中节点处有加强, 这也对测量结果造成影响;
3) 在实验过程中, 加载点不能精确对准中心位置, 导致数据造成微量的偏心荷载, 给对称性数据造成一定的误差;
4) 本实验装置在加工精度方面存在误差, 故对于理论值的计算存在一定的误差。
3 结语
通过实验得到的具体的测试结果表明, 固定式力学实验装置的实验情况较为理想, 得到的数值精度高, 既能够较好的反映出结构力学的基本概念和理论, 又能正确反映出理论值与实测值的误差, 可以应用于日常的实验教学中。本实验将结构力学的计算模型与实际测试数据验证, 学生可以深刻理解结构力学中桁架结构铰接模型, 认识到理论计算方法的误差, 这样就做到了学生在实验中学习研究。
摘要：主要介绍了一种基于实验教学基本原理和功能开发的固定式钢桁架力学实验系统, 实现了多种加载方案的结构力学实验, 并通过实验完成了对多种结构力学桁架结构计算模型的简化原理的准确性验证, 为学生提供了一个理想的学习实践工具, 也为实验教学提供了一个可靠的平台。
关键词：钢桁架,固定式力学装置,实验教学
参考文献
[1]龙驭球, 包世华.结构力学1:基本教程[M].北京:高等教育出版社, 2006.
[2]刘鸿文.材料力学 (上下册) [M].北京:高等教育出版社, 2003.
[3]刘礼华, 欧珠光.结构力学实验[M].武汉:武汉大学出版社, 2006.
不同截面形式钢桁架承载能力分析 篇5
关键词：钢桁架,截面形式,结构应力,结构变形
0 引言
钢桁架梁由于其充分发挥钢材的拉力以及压力, 能够节省材料, 减轻结构自重等特点, 因此被广泛用于工业建筑的屋架, 桥梁以及输电塔当中。因此对钢桁架的承载能力研究是十分重要的。本文立足于探讨不同截面形式对钢桁架结构承载能力的影响, 研究了钢桁架在圆形、空心矩形以及工字形三种截面形式下的应力以及变形的不同, 并通过钢桁架的位移云图以及应力云图中得到了相关承载能力。
1 有限元模型
对钢桁架结构进行有限元分析, 首先应该建立精确的有限元计算模型。本文以一个跨度为10 m的钢桁架结构为例, 结构梁高1.5 m, 主要由上弦杆、斜腹杆以及下弦杆构成, 结构的材料为钢材, 设置相应的材料参数, 其中弹性模量为210 GPa, 泊松比为0.27, 钢材密度设置为7 850 kg/m3, 钢桁架结构所用单元为材料库中的Beam189。对于结构横截面, 为了消除自重作用对最后承载能力的影响, 采用重力相等原则, 设置三种横截面, 分别为空心圆形截面、空心矩形截面以及工字形截面, 其中空心圆形的内径为8 cm, 外径为10 cm;空心正方形的外径10 cm, 内径8.47 cm;工字形截面的翼板长10 cm, 厚1 cm, 腹板长8.26 cm, 厚1 cm。本例采用由下至上的建模方式, 建立的有限元模型以及相关节点号如图1所示。
建立好钢桁架结构的有限元模型后, 需要对模型进行网格化划分并且施加边界条件约束。本例结构对其做简支钢桁架梁处理, 对整体结构施加重力作用, 并在8~10节点上施加3 000 N向下的集中荷载。
2 不同截面钢桁架结构应力分析
通过对所建立的有限元模型进行加载, 加载以后可以得到钢桁架结构的应力以及变形情况, 对结构求解以后可以通过通用后处理中看到不同截面钢桁架应力云图如图2所示。
根据图2可以看出, 钢桁架结构在不同的截面形式下的应力云图差别较为巨大, 由于结构为对称型结构, 因此应力云图也基本呈现出对称型。其中圆形截面桁架结构以及工字形截面桁架结构的应力分布不太均匀, 矩形截面桁架结构各个杆件的应力分布较为均匀。对于圆形截面桁架结构, 应力最大值出现在对称轴中点的上弦杆节点处, 产生的最大应力为1.33 MPa, 最小应力值产生在支点附近, 产生的最小应力为1 520 Pa;空心矩形截面桁架结构的应力最大值出现在11节点处, 最大应力值为1.13 MPa, 应力最小点出现在6节点与10节点之间的斜腹杆处, 最小应力值为218.2 Pa;对于工字形截面桁架结构, 其应力最大值出现在5节点处, 最大应力值为4.14 MPa, 最小应力值出现在3节点与5节点之间的上弦杆处, 产生的应力值为4 456 Pa。
3 不同截面钢桁架结构变形分析
对钢桁架结构进行求解后, 通过通用后处理对钢桁架结构有限元模型进行查看, 所得到的结构变形云图如图3所示。
从图3可以得到不同截面的钢桁架结构变形特性, 三种不同截面形式的钢桁架结构的变形有较大的差距, 结构变形均为对称型变形, 由于结构施加了简支梁的约束, 因此三种截面的钢桁架变形的最小值均在支点处, 变形量为零。空心圆形截面桁架结构与空心矩形截面桁架结构的变形云图较为相似, 并且变形分布很不均匀, 其中处于靠近轴中心杆件与节点的变形量较大, 处于支点附近的杆件与节点的应力变形较小。圆形截面桁架结构的最大变形处于轴中心的6节点处, 最大变形值为1.7 cm, 工字形截面桁架结构的最大变形值出现在9节点处, 最大变形值为1.12 cm;根据空心矩形结构桁架结构的变形云图可以看出, 此种结构的各杆件变形分布较为均匀, 变形较大的点主要出现在上、下弦杆的跨中处, 其中最大变形值出现在2节点与11节点的下弦杆跨中处, 出现的最大变形值为0.258 cm。
4 结语
通过有限元计算软件ANSYS对空心圆形、空心矩形以及工字形三种不同截面的钢桁架结构进行有限元分析, 根据计算得到的应力云图以及位移云图可以看出三种结构的承载能力有较大的差异。其中圆形截面结构和工字形截面结构的应力以及变形分布很不均匀, 矩形截面结构的应力以及变形分布相对均匀。三种截面的应力极值大小顺序为:工字形截面>圆形截面>矩形截面, 矩形截面的应力极值要远小于其余两种截面;其中三种截面的变形极值大小顺序为:圆形截面>工字形截面>矩形截面, 矩形截面结构的变形极值较其余两种截面结构形式的变形极值要小得多。
钢桁架结构在工程中发生破坏的原因除了承载能力不足以外, 还与其动力特性、温度应力, 设计合理性以及施工技术的成熟性有关, 在实际设计和施工中应当加以注意。
参考文献
[1]王洋, 郝志军.ANSYS在土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社, 2010.
[2]李众彻, 孟庆超, 何钰龙, 等.温度变化对人字形钢桁架的应力及变形分析[J].建材发展导向, 2014 (2) :78-79.
[3]朱志斌.某工程大型钢桁架节点试验与分析[J].安徽建筑, 2015 (3) :215-216.
[4]兰盛磊.基于SAP2000的转换桁架的钢节点有限元分析[J].四川建材, 2015 (4) :35-36, 39.
立体钢桁架 篇6
中央站房由五个主拱作为支撑, 截面为椭圆变截面钢管, 单拱最大跨度116m, 最大拱顶中心标高为58.157m, 拱上有树枝状V型锥管支撑, 用于支撑纵横管桁架形成的屋盖结构。屋盖投影面积为307.813m×184.00m, 纵横桁架将屋盖结构划分为58×33个单元网格, 横轨桁架为空间双曲双拱结构, 顺轨桁架为平面桁架, 横轨桁架为屋盖结构的主受力构件。
2. 总体方案选择
武汉站建筑造型、结构形式以及现场施工环境, 采用“大型滑移胎架”进行施工, 即在结构原位下方分区搭设大型滑移胎架支撑体系, 结构部件吊至高空组对安装, 结构单元片区形成整体稳定后, 胎架滑移至下一区间施工。
本项目在施工前还针对大跨度钢结构其它常见施工方案进行了思考, 但都局限于武汉站的特点而不适合。
2.1 原位胎架施工法
针对一些工期相对轻松的工程, 原位胎架 (原位满堂脚手架或胎架) 具有施工安全、方便定位等优点, 但本工程施工工期十分紧张, 原位设置脚手架, 其安拆时间过长, 将极大的影响后续土建施工。
2.2 提升施工法
对于规整的单层、支撑简洁的多层平面结构, 比较适合采用提升法施工。
就本工程而言, 结构刚度相对较弱, 提升点的布设困难;支撑体系复杂, 高空对接就位质量难以保证;提升施工不可预见风险较大。
3. 吊装单元的划分与选择
选定了胎架滑移施工整体安装方案, 吊装单元的划分与选择方式又将成为研究的重点, 其对施工质量与进度影响重大, 针对桥建合一武汉站的特点, 共有三种单元划分形式:散件 (相贯杆件) 高空拼装;大单元地面拼装整体吊装;散件与片状结合施工。
3.1 散件 (相贯杆件) 高空拼装
主要施工方法:桁架所有杆件在工厂下料, 高空直接组对相贯口及所有节点板。
方案优点:相对减少工厂及地面拼装工作量, 降低了构件运输要求;杆件直接焊接, 相对减少了现场对接接头。
方案缺点:单节点相贯杆件数量较多且重叠相贯, 另有多板穿插其中, 组对、施焊时须先后进行, 部分焊缝在高空无法施工焊, 质量难以保证;现场施工工作量增大 (112300个相贯口、11500块穿心节点板、9870个非穿心节点板、34300块加劲板) , 工期难以保证;现场安装测量定位困难, 施工质量难以保证, 不可控因素多;节点焊接量大且集中, 焊接变形大, 容易形成较大的焊接残余应力, 对结构整体受力不利。
3.2 大单元地面拼装整体吊装
主施工方法:将2—3桁架在拼装场地进行整体拼装后, 采用大吨位吊装设备吊装就位。
方案优点:结构整体性相对较好;减少高空焊接工作量。
方案缺点:现场施工场地狭小, 无法提供拼装作业面, 只能进行场外拼装, 但限于道路及桥梁施工影响很难运输;两片结构体积通常达18.75m×8m×7.5m, 单块整体刚度较差, 吊装运输时容易造成结构永久性损坏。
3.3 散件与片状结合施工
主要施工方法:根据现场运输道路及塔吊起重能力将桁架分成部件 (高度大的分上下弦及腹杆, 其它的整片分段) 高空进行吊装。
方案优点:不受拼装进度的影响, 可多点位展开施工;合适的构件大小 (构件体积18m×3m×2m) , 能充分高效的发挥常用运输和吊装机械的能力;将整个工程的工作量合理地分配给加工厂和现场安装, 更充分的发挥了各自的优势;将复杂节点 (多管相贯和多板贯穿杆件以及加劲板的焊接) 的焊接放在了加工条件更好的工厂施工, 更好的保证了工程质量。
方案缺点:相对增加了现场对接接头;变形需严加控制。
综上, 三种吊装单元的划分均有其优势及缺点, 根据武汉站钢结构的特点, 选择“散件与片状结合施工”。
4. 具体的分段原则
4.1 桁架高度不大于2.5m
4.2 桁架高度大于2.5m
5. 结论
浅谈钢桁架工厂加工工艺监控要点 篇7
钢桁架的制作在设施配备完善的车间进行时，工艺流程是：原材料试验检验→放样→号料→下料→平直→组装成型→焊接→矫正→成品制孔→除锈→油漆→检验→出厂。该工艺流程的上、下道工序联系紧密，上道工序不合格，必定影响工序的完成，因此在监理时，必须要求施工单位严格按设计及规范的要求控制各道工序质量，不合格的半成品严禁进入下道工序。
2 原材料试验、检验、矫正
根据图纸要求购买的原材料，必须送到已具备检验资格的公司试验室进行抽样检验，钢材的抗拉强度、屈服点必须符合规范要求。同时，购买的原材料要有材料出厂合格证及材质说明。由于运输、装卸等原因，原材料可能会发生变形，给加工造成困难，故应对检验合格材料预先进行矫正，使之平直之后才能进行加工。
3 放样、号料、下料
制作时先在车间平台上按要求放出1:1大样，在核对各方位尺寸准确后，然后用圆规、直尺、石笔等工具划出下料尺线，尺寸线要准确、细致；放样时，要考虑加工余量，焊接件要按工艺要求留出收缩量：下料用自动切割机切割，加工余量为1-2mm。切割前，应将钢材表面的铁锈、油漆等清除干净；切割后，断口上不得有裂纹和大于0.1mm的缺棱，并清除边缘上的熔渣和飞溅物，给切割好的半成品进行编号，分类堆放。
4 超长构件的制作
对于长度超长的构件钢桁架，制作时要考虑吊装的因素，必须整体放样分段加工，在现场拼接，在设计接点时，同一断面上节点要互相错开，桁架钢管接头形式按设计提供的设计图纸加工，其它型钢的连接形式可根据钢结构设计手册上有关内容选取。
5 焊接
5.1 焊接工艺规程
(1）焊工：应持有行业指定部门颁发的焊工合格证书。并从事与其证书等级相应的焊接工作，并得到业主的认可。（2）重要结构装配定位焊时，应由持定位焊工资格证的焊工进行操作。（3）持证焊工无论其原因如何，如中断焊接连续时间超过半年者，再上岗前应重新进行资格考试。（4）焊工考核管理由质管部负责。
5.2 焊接工艺方法及焊接设备
(1）焊接用手工电弧焊、CO2气体保护自动和半自动焊、埋弧焊等焊接工艺方法必须符合要求。（2）为保证钢桁架工程具有优良的焊接质量，使用的主要焊接设备必须符合要求。（3）钢材焊接材料订购、进库、检验及管理必须到位。钢材质量、焊接材料的订购、进库、检验及管理严格做到：焊材的选用必须满足设计要求，钢材及焊条均必须从正规生产厂采购，所有产品均应有材料合格证、质量保证书或产品合格证，无证产品不得采购、不得入库。每批焊接材料进厂后，应由质检部门及监理工程师按检验标准进行检验，合格后方可投入使用。
每批进厂的焊接材料均应有标识，标明焊接材料的牌号、规格、检验号或批号。若产品本身不带标识则应在进厂后制做标识，严防材料混用。焊接材料的贮存、运输、焊前处理（烘干、焊丝油锈处理等），烘焙和领用过程中都要有标识，标明焊接材料的牌号、规格、厂检号或生产厂批号等，焊接材料的使用应符合制作厂的说明书和焊接工艺品评定试验结果的要求。焊接材料使用过程中应可以追踪控制，焊接时选用的焊接材料型号与工艺评定所用的型号一致。焊条从烘箱和保温筒中取出并在大气中放置四小时以上的焊条需要放回烘箱重新烘培。重复烘培次数不允许超过两次。焊接环境要求：a.露天操作的焊接现场环境应符合以下条件：钢材表面温度≥0℃，相对湿度≤80%，手工电弧焊时风速≤10M/S。b.焊接操作要求：焊接前应将工件表面的油污、灰尘、氧化皮、割渣等清理干净。不得在构件表面任意引弧损伤母材，引弧时应备引弧板或在焊缝中进行。施焊时焊通的起点，终点应平滑过渡，避免产生焊接缺陷，多层焊道应将接头错开。施焊操作应按照工艺规程中所指定的焊接参数，焊接施焊方向及焊接顺序进行。焊缝高度应满足设计要求。桁架结构施焊时应两人对称同时进行，立焊缝运行方向应为立向上。焊后要进行自检，互检，并应每班做好焊接施工记录。（4）焊接检验和返修。无损探伤必须由质检部门的专职人员担任，且经岗位培训、考核取得了相应的资格证书后按持证范畴上岗检验、检测，监理进行见证。
焊接检验主要包括如下几个方面：（1）母材的焊接材料。（2）焊接设备、仪表、工装设备。（3）焊接接口、接头装配及清理。（4）焊工资格。（5）焊接环境条件。（6）现场焊接参数，次序及现场施焊情况。（7）焊缝外观和尺寸测量。
焊缝表面与母材应平滑过度，焊脚高度要均匀一致，焊花均匀，搭接平顺，不得有裂纹，焊瘤、气孔、夹渣未焊满焊接缺陷，主要焊缝的咬边不得大于0.5mm, 次要焊缝咬边不得大于1mm。高于焊缝表面2mm以上部分应打磨平滑。钢管对接焊应与母材表面打磨平齐。焊缝外观检查的质量要求应符合（GB10854）《钢结构焊缝外观尺寸》技术规范之规定。无损探伤须在焊缝外观检查合格后，24小时之后进行。无损探伤的部位，探伤方法，探伤比例等按（GB11345）（钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级）规定施工。
6 制孔
为了确保钻孔精度和质量，采用模钻时均须有放样工放样划线划出基准轴线和孔中心，采用数控钻的其首次加工品均应为检验员首检合格后才准批量钻孔，零件、部件、构件钻孔后均需经检验员检验合格后做上合格标识才准转序。
7 构件表面处理
所有杆件、檩条及其它零部件采用喷砂除锈进行表面处理，除去焊渣，飞溅、污物及浮砂等杂物，除锈等级应达到Sa2.5级，喷砂后4小时内进行底漆喷涂防锈。喷涂将采用固瑞克高压无气喷涂机喷涂。涂层外观应均匀、平整、丰满、有光泽，不允许有漏涂、分层、起泡、剥落等缺陷。其颜色应与设计规定的颜色相一致；不允许有裂纹、剥落、针孔、咬底等缺陷。但允许有不影响防护性能的轻微流挂、刷痕，起皱和少量颗粒灰尘。涂层厚度的测定，采用漆膜测厚仪测定。其测厚点数平均值应达到规定厚度（测检点数见测定厚度抽查量）《涂料检验方法》（GB/T1764-79 (89））中漆膜厚度测定法。涂装时的环境测试和湿度由温湿度计控制。
8 验收
构件成品数量达到一跨试拼装要求时，应由在技术、质量工程师及的指导下在厂内进行一次试拼装，以检查构件的整体质量及安装情况，确保能现场顺利安装，同时由专职检验员对构件的检验、试验结果进行检查，待以上检验均合格后在构件上贴上合格证，以供包装和出厂。
结语
钢桁架工程在工厂加工较复杂，有别于一般工程。只有包含项目监理部在内的广大工程管理人员精诚协作，通力配合，才能更好地完成目标任务。
参考文献
[1]付裕.钢结构桁架式通廊设计优化与工程应用[D].济南:山东大学, 2012.