受力计算[关键词（精选7篇）
受力计算[关键词 篇1
钢管混凝土系杆拱桥以其跨度大、结构轻、造型美、造价低等优点, 被广泛采用。尤其是通过系杆张拉可实现拱桥推力的自我平衡, 解决了沿海地区软土地基一般无法承受较大水平推力的问题。钢管混凝土系杆拱桥与连续梁桥、矮塔斜拉桥等其它桥梁相比, 其梁高较矮, 系杆在横桥向位于拱肋下方, 不占用车道位置, 系杆顶面可高于桥面, 因此可缩短引桥长度, 节约工程造价[1,2,3]。
近年来, 在内河航道升级改造中由于航道升级需增加桥梁净空, 而桥梁与老路相接时一般存在平交口和坡度限制, 需要尽可能降低梁高, 同时考虑到工程造价和景观要求, 钢管混凝土系杆拱桥的优势显得越发明显。钢管混凝土系杆拱桥桥型技术复杂, 施工难度大, 特别是钢管拱架结构的拼装是钢管混凝土系杆拱桥施工的重点和难点[4]。本文以苏南运河上某计算跨径为111 m钢管混凝土系杆拱为实例, 对其关键施工技术进行研究。
1 钢管混凝土系杆拱桥施工方法
钢管混凝土拱桥按拱肋和系杆的施工先后顺序一般可分为“先梁后拱”和“先拱后梁”两类不同的施工方法[5,6], 先梁后拱是先浇筑系杆混凝土后分段吊装钢管拱肋、泵送拱肋混凝土的一种方法, 其施工过程中拱肋产生的水平推力始终由预应力混凝土系杆平衡;而先拱后梁是先分段或整体拼装钢管拱肋和系杆劲性骨架形成稳定的钢拱架结构, 并泵送拱肋内混凝土, 待混凝土达到设计强度后再采用悬吊式模板的方式浇筑系杆混凝土, 在该施工阶段其拱肋产生的水平推力均由劲性骨架和系杆临时预应力束承担。
对比该两类方法, 先梁后拱的施工方法较常规, 但施工现场要具备搭设系杆混凝土现浇和钢管拱肋拼装支架的条件, 由于系杆混凝土现浇支架需在河中设临时墩, 并设置贝雷梁支架, 既限制了通航宽度又降低了通航高度, 施工期间存在较大的船撞风险, 因此不适用于通航要求较高的跨河桥梁并;先拱后梁的施工方法则适用范围较为广泛, 可根据现场条件采用不同的施工方法, 如在岸上拼装成单片钢拱架后整体吊装, 在岸上将左右两片钢拱架拼装成整桥后吊装, 在岸上拼装成整桥后采用大型船只浮拖过河、河中设临时墩进行大节段吊装等, 各施工方法的优缺点详见表1。
2 钢管拱肋吊装过程受力计算和分析
大节段钢管拱肋拼装施工吊装重量轻, 对拼装场地要求低, 可结合现场地形自由分段, 能最大程度满足船只正常航行, 且大节段拼装有效降低了临时墩的船撞风险, 吊装过程安全性高, 因此在上述4种主要的钢管混凝土拱桥施工方法中, 大节段钢管拱肋拼装是适用性最好、应用最广的一种。
为分析大节段钢管拱肋拼装过程产生的内力和变形, 以苏南运河上一座下承式钢管混凝土系杆拱为例进行分析。该桥计算跨径111 m, 矢跨比1/5, 矢高为22.2 m, 拱轴线为二次抛物线。系梁采用箱形截面, 梁高2.2 m, 宽1.4 m;拱肋采用哑铃型钢管混凝土, 每个钢管外径1.3 m, 钢管及腹板壁厚16 mm, 内充C40微膨胀混凝土, 拱肋高度为3.0 m;每片拱设间距为5.0 m的吊杆19根, 吊杆为刚性吊杆。
由于本桥位于城区, 现场拼装场地小, 对通航净空要求高, 经综合比较结合桥位处地形条件分3段采用大节段拼装的施工方案。通过Midas Civil有限元软件对该桥拼装施工过程不同阶段和状态进行计算, 计算模型中钢管拱肋、劲性骨架采用梁单元模拟, 刚性吊杆采用梁单元和索单元模拟, 共划分62个单元, 临时墩约束采用“单向支承”进行模拟, 主要验算工况如下:
工况1, 跨河段钢管拱肋浮吊起吊过程中的受力状态分析;
工况2, 跨河段钢管拱肋简支状态受力分析 (见图5) , 即跨河段钢管拱肋对接成功后, 浮吊全部松开, 假定钢管拱肋完全以简支状态搁置在临时墩上再进行合龙口焊接;
工况3, 跨河段钢管拱肋铰接状态受力分析 (见图6) , 即跨河段钢管拱肋对接成功后, 浮吊全部松开, 同时跨河段钢管拱肋与两侧拱肋顶紧成为近似铰接状态;
工况4, 跨河段钢管拱肋固结受力状态分析 (见图7) , 即跨河段钢管拱肋对接成功后, 浮吊全部松开, 同时跨河段钢管拱肋与两侧拱肋焊接成为固结状态;
工况5, 跨河段钢管拱肋吊装到位后, 浮吊并不脱钩, 分别以30 t、50 t和80 t与临时墩共同支撑跨河段钢管拱肋, 变形有限元图见图8。
钢管拱肋大节段吊装施工过程模拟计算结果见表2, 从表中各工况计算结果可看出:
(1) 钢管拱肋起吊及拼装过程中稳定系数均大于4, 稳定性满足施工要求;
(2) 跨河合龙段钢管拱肋在吊装过程中的应力和变形均较小, 满足设计及规范要求;
(3) 简支状态下钢管拱肋产生的内力和变形均较大, 而铰接和固接状态下的内力和变形较小, 且两者较为接近;
(4) 当浮吊与临时墩共同支撑跨河段钢管拱肋时, 随着浮吊起吊力的增大, 跨河段钢管拱肋挠度变形和应力值不断减小, 可通过计算合理调整浮吊起吊力, 使钢管拱肋处于微变形和微应力状态;
(5) 为避免大节段钢管拱肋拼装产生较大的内力和变形, 提高拼接误差控制精度, 在浮吊松钩前应采取可靠的临时连接措施, 以减小跨河段钢管拱肋的内力和变形, 确保拱肋线形和结构受力安全。
3 大节段拼装施工技术要点
由于合龙节段长度较长, 大节段钢管拱肋在拼装施工时易出现内力和变形较大的情况, 且拱肋对接口缝隙要控制在5~10 mm, 施工存在较大难度, 施工中应注意以下技术要点:
(1) 合理选择吊点, 以减小拱肋的变形和内力。确定合理的钢管拱肋吊点位置, 根据拱肋图形, 采用形心法、CAD或有限元分析软件计算拱肋的重心, 并由重心位置确定拱肋吊点的位置, 吊点应设置在重心上方, 以保持吊装过程中拱肋的稳定, 防止出现倾覆或反转;同时吊点间的布置间距应合理, 尽可能减小拱肋吊装过程中产生的内力和变形。
(2) 拼装前进行坐标测量和端口余量。吊装前应对两边已安装好拱肋端口截面上下缘控制点坐标进行测量, 并测量待拼装的大节段钢管拱肋两端截面上下缘控制点坐标。采用实测坐标在绘图软件中进行模拟拼装, 分析钢管拱肋对接口误差, 同时计算出大节段钢管拱肋拼装时端部产生的转角和伸长量, 再对该大节段钢管拱肋端口截面进行余量切割。
(3) 临时连接劲性骨架。大节段钢管拱肋吊装到位进行拼接时, 应先对系杆劲性固结进行临时连接, 以平衡钢管拱肋对接浮吊脱钩后产生的水平推力, 考虑封航时间较短, 应在系杆角钢接口处采用精轧螺纹钢筋、螺栓等快速连接方式。
(4) 临时墩墩顶拼接辅助措施。在临时墩墩顶设置圆弧形底座, 并在拱肋接口处设置码板, 测量并调整好标高, 备好调整用千斤顶, 待大节段钢管拱肋吊装到位后再进行微调。
(5) 浮吊吊力的控制和脱钩时机的确定。大节段钢管拱肋吊装到位后不能马上松钩, 此时应根据计算保证一定的起吊力, 待将拼接口缝隙塞紧, 并对码板临时焊接后再进行脱钩, 使该段钢管拱肋拼接时处于近似铰接或固结状态, 以尽可能减小拼装时产生较大的内力和变形。
4 结语
钢管拱肋大节段拼装施工具有吊装重量轻、场地适用性好、对通航影响小、安全性高等特点, 通过在吊装过程中采取必要的措施, 可将大节段钢管拱肋产生的内力和变形控制在合理的范围内, 因此该施工方法特别适用于内河航运繁忙的跨河钢管混凝土系杆拱桥, 是一种值得大力推广的施工方法。
摘要：文章对钢管混凝土系杆拱桥常见的几种施工方法进行介绍, 分析各种施工方法的主要优缺点, 并结合工程实例对钢管混凝土拱桥大节段拼装施工过程中的受力进行计算, 对该吊装方法的关键施工技术进行了研究, 结果表明, 通过在吊装过程中采取必要的措施可以将大节段钢拱肋产生的内力和变形控制在合理的范围内。
关键词：钢管混凝土系杆拱,施工技术,大节段拼装,受力分析
参考文献
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[6]陈海峰, 黄金枝.钢管混凝土拱桥结构成型关键技术综述[J].低温建筑技术, 2004 (6) :60-62.
受力计算[关键词 篇2
液压绞车是引进意大利技术, 并作为进一步改进的新颖产品。该产品拉力为5~3 500 k N, 规格齐全, 品种多样。其结构主要由液压马达 (低速或高速马达) 、液压常闭多片式制动器、行星齿轮箱、离合器 (选配) 、卷筒、支撑轴、机架、压绳器 (选配) 等组成。液压马达具有很高的机械效率, 起动扭矩大, 并可根据工况要求带不同的配流器, 还可根据用户需要设计阀组直接集成于马达配油器上, 如带平衡阀、过载阀、高压梭阀、调速换向阀或其他性能的阀组, 制动器、行星齿轮箱等直接安装于卷筒内, 卷筒、支撑轴、机架根据力学要求设计, 整体结构简洁合理并具有足够的强度和刚性。因而该系列绞车在结构上具有紧凑、体积小、重量轻、外形美观等特点, 在性能上则具有安全性好、效率高、起动扭矩大、低速稳定性好、噪音小、操作可靠等特点[1,2]。
值得一提的是, 液压马达高的容积效率和美国SUN公司优质的平衡阀解决了一般绞车都存在的二次下滑和空钩抖动现象, 使得该系列液压绞车的提升、下放和制动过程平稳, 带离合器的绞车还可实现自由下放。安装于配流盘上的集成阀组则有效地简化了用户的液压系统。由于该系列绞车具备上述优点, 故广泛应用于船舶、铁路、工程机械、石油、地质勘探、冶金等行业, 其优良性能得到了用户的认可。
图1是液压绞车机构简图。由图可知, 液压绞车主要由液压马达1、制动器2、行星减速器3、卷筒4和机架5等组成。其中, 卷筒是液压绞车动力传递的关键部件[3,4,5]。
1—液压马达2—制动器3—行星减速器4—卷筒5—机架
本文采用Pro/ENGINEER软件建立液压绞车关键零部件三维实体模型, 并对主要受力部件——卷筒进行有限元分析, 以便掌握其应力分布状态, 为优化设计提供一定的理论支持。
1 三维建模软件介绍
Pro/ENGINEER操作软件是美国参数技术公司 (PTC) 旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件[6]。Pro/ENGINEER软件以参数化著称, 是参数化技术的最早应用者, 在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位, Pro/ENGINEER软件作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一, 特别是在国内产品设计领域占据重要位置。
Pro/ENGINEER采用了模块方式, 可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等, 保证用户可以按照自己的需要选择使用。
2 关键零部件建模过程
在Pro/ENGINEER中对液压绞车关键零部件进行建模, 主要使用的命令有:拉伸、旋转、剪切、扫描等。由于篇幅的限制, 本文省略了其建模过程, 仅给出建模结果。建模的零部件主要有:图2机架、图3卷筒、图4~6传动齿轮系统等。
3 卷筒的有限元模型与参数
由于卷筒是液压绞车的主要受力部件, 下面主要对卷筒进行受力分析, 根据模型的对称性特点, 仅建立1/2的卷筒模型, 同时为了加载的方便, 在受力分析时, 省略了卷筒表面的绳槽。卷筒的基本参数如下:
卷筒最小外径:D0=450 mm;
卷筒结构外径:D1=550 mm;
卷筒宽度:B=450 mm;
筒体厚度:δ=15 mm;
筒侧板厚度:t=15 mm;
钢丝绳直径:d=18 mm;
一层的圈数:z=25;
钢丝绳最大静拉力:T=50 000 N。
4 卷筒有限元模型的求解
模型建成之后, 选用Pro/MECHANICA来对卷筒进行强度分析, 可以实现和Pro/ENGINEER的完全无缝集成。Pro/MECHANICA STRUCTURE模块可以进行零件和装配模型的结构和优化分析。
4.1 材料属性
材料:ZG310-570;
弹性模量:185 GPa;
泊松比为:0.3;
密度:7.85×10-6kg/mm3;
屈服极限:310 MPa。
4.2 网格划分
使用Auto GEM来进行网格划分, 并在其设置选项中选择Tetra四面体单元类型及设定网格的各种参数, 划分的四面体单元20 492个。
4.3 约束与载荷
在卷筒与轴承的配合处选择全约束, 在对称面上选择圆周对称约束。施加的面载荷按下式进行计算:
5 有限元模型结果分析
图7为卷筒的应力云图, 从两个视角可以看出, 卷筒中部承受了较大的钢丝绳径向压力载荷, 最大应力达235 MPa, 从中部往两边逐渐减小, 由于在筒壁与侧边连接处做了圆角处理, 因此不存在应力集中的问题, 圆角处应力较小。
为了清楚地观察卷筒内外表面的应力分布情况, 在筒壁取两条线即内表面线和外表面线, 图8和图9为内外表面应力曲线, 由图可知, 在圆角处应力有所波动, 但是波动不大, 没有出现应力集中的现象;内表面的应力大于外表面, 外表面最大应力约215 MPa, 而内表面最大应力约235 MPa。
6 结语
本文首先运用Pro/ENGINEER建立液压绞车关键零部件, 包括机架、卷筒、传动齿轮系统等;然后在Pro/MECHANICA中进行卷筒的材料属性、网格划分、施加约束和载荷的设置;最后对卷筒的应力和变形进行求解。研究发现:卷筒中部承受了较大的钢丝绳径向压力载荷, 应力从中部往两边逐渐减小, 且内表面的应力大于外表面;由于在筒壁与侧边连接处做了圆角处理, 避免了应力集中的问题。本文的结论可以为卷筒的设计提供一种方法和理论参考。
参考文献
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输电线路受力计算软件的初步开发 篇3
近年来, 电力基础设施建设规模的不断扩大, 电网的运行和施工事故不断增多。据全国近十年事故统计, 有50%以上是在施工过程中发生的, 而追究其原因, 设计中未考虑施工过程中诸多因素或对施工过程中复杂与突发情况未进行应有受力分析, 以及实际运行维护过程或技改大修项目未有关于输电线路力学的实际计算, 而导致事故的, 占有相当比例。所以, 对于输电线路方面的力学计算显得尤为重要。其中基于设计方面的计算已经很多, 而基于输电线路现场实际方面的计算应用软件则少有提及, 为此, 对输电线路受力计算软件的初步开发进行介绍。
1 架空线路各种受力荷载分析
(1) 架空输电线路的杆塔按受力的特点可分为直线杆塔、耐张杆塔、转角杆塔和终端杆塔。耐张杆塔是能承受较大的两侧导线张力的杆塔, 在正常运行时, 能承受导线对杆塔的不平衡张力, 在事故断线情况下, 能承受住导线对杆塔的断线张力, 使断线故障的影响范围限制在与断线点相邻的两耐张杆塔之间;在架线施工中可作为紧线操作塔或锚塔。转角杆塔位于线路转角处, 终端杆塔应用于于线路的首端和末端。这两种杆塔的型式与耐张杆塔相似。转角杆塔所受的垂直线路力向水平力除风压力外, 还有导线张力引起的角度合力, 终端杆塔能承受单侧导线张力。正常工况下, 铁塔两侧的导线张力基本保持平衡。但在铁塔两侧导线不均匀时 (如覆冰的情况下) , 受力平衡状态被破坏, 铁塔两侧产生张力差, 铁塔会向张力大的一侧发生倾斜、弯曲, 在超过一定允许值后, 铁塔杆件发生拉、压破坏, 导致铁塔折断、倒塌。
(2) 输电线路塔主要承受风荷载、冰荷载、线拉力、恒荷载、安装或检修时的人员及工具重以及断线、地震作用等荷载。设计时应考虑这些荷载在不同气象条件下的合理组合, 恒荷载包括塔、线、金具、绝缘子的重量及线的角度合力、顺线不平衡张力等。断线荷载在考虑断线根数 (一般不考虑同时断导线及避雷线) 、断线张力的大小及断线时的气象条件等方面, 各国均有不同的规定。
(3) 挂点受力的主要来源。在输电线路上, 导线的弧垂是影响其拉力大小的重要变量。在设计时给出的弧垂表, 往往与现场实际运行后的情况有所出入, 有时甚至偏差很大, 这就造成了按图纸无法得出正确受力的情况, 所以需要计算与论证导线的弧垂。
直线杆塔上仅受到导线的垂直荷载, 所以不管是导线挂点、绝缘子、杆塔挂点, 受到的均是该挂点两端导线至弧垂点的垂直分力。若能查得该塔的垂直档距, 就可以很简单地计算出该挂点受力。垂直档距为L1的弧垂最低点与L2的弧垂最低点之间的水平距离。垂直档距可用软件或用弧垂板来确定, 但往往与现场有出入, 垂直档距没有固定的计算式。
耐张绝缘子串受到的不仅仅为垂直分力, 还有水平分力。这个分力在输电线路中称为张力。它将导线的垂直重力作用化解为水平方向, 但实际几乎不存在完全水平的导线, 所以, 导线与铁塔总会存在着一个夹角α。
2 基于受力点的软件开发的公式
受力点分析如图1所示。
若f_1-f_2<0, 则I_AC=1/2 I-h;若f_1-f_2>0, 则I_AC=1/2I+h。f_1, f_2, I, h为输入值, 其中, f_1为A标塔挂点海拔高度, f_2为B标塔挂点海拔高度, I为档距, h为高差。
计算公式:
其中, Q为导线计算质量 (可以通过数据库表查询, 计算过程需要将kg/km换算为kg/m) , G为重力 (=9.8N/kg) , θ为输入值。
可以将导线视为柔索, 则导线上仅受切面拉力。导线不同点地方自身重量不同, 切向张面拉力也不同。即弧垂点仅受水平拉力, 而挂点的受力必然为最大, 等于水平拉力加上导线重力。所以, 在输电线路现场仅需测量挂点与铁塔的夹角, 便可以根据夹角、导线质量密度、档距、悬点高差计算出挂点实际受力。该受力大小将决定工器具选择、施工方法及相应安全措施。
3 结语
输电线路运行与检修工作中, 需要处理很多的绝缘子问题, 为了保证电网的可靠性运行, 往往采用非常严谨的带电检修作业。但绝缘子受力、挂点受力、导线受力计算都制肘于图纸, 脱离了现场。通过研究与计算, 很好地解决了目前存在的问题, 但计算方法的精度还有待提高, 需进一步研究。
参考文献
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[5]冯博.软件安全开发关键技术的研究和实现[D].北京:北京邮电大学, 2010
高层建筑结构设计和计算受力 篇4
一、结构选型
对于高层结构而言, 在工程设计的结构选型阶段, 结构工程师应该注意以下几点:
(一) 结构的超高问题
在抗震规范与高规中, 对结构的总高度都有严格的限制, 尤其是新规范中针对以前的超高问题, 除了将原来的限制高度设定为A级高度的建筑外, 增加了B级高度的建筑, 因此, 必须对结构的该项控制因素严格注意, 一旦结构为B级高度建筑甚或超过了B级高度, 其设计方法和处理措施将有较大的变化。在实际工程设计中, 出现过由于结构类型的变更而忽略该问题, 导致施工图审查时未予通过, 必须重新进行设计或需要开专家会议进行论证等工作的情况, 对工程工期、造价等整体规划的影响相当巨大。
(二) 嵌固端的设置问题
由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防, 嵌固端有可能设置在地下室顶板, 也有可能设置在人防顶板等位置, 因此, 在这个问题上, 结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面, 如:嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等等问题, 而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。
(三) 短肢剪力墙的设置问题
在新规范中, 对墙肢截面高厚比为5～8的墙定义为短肢剪力墙, 且根据实验数据和实际经验, 对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制, 因此, 在高层建筑设计中, 结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙, 以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。
二、高层建筑结构分析方法
(一) 计算分析基本假定
高层建筑结构要完全精确地分析三维空间结构是十分困难的。需要通过各种分析方法对计算模型进行不同程度的简化。以下是一些常见的假定:
1.弹性假定
目前实用的高层建筑结构分析方法都是使用的弹性计算方法。这一假定符合建筑结构的工作状况, 因为在一般风力作用下, 建筑结构一般都处于弹性工作阶段。
2.小变形假定
小变形假定也是各种高层建筑结构实用分析方法中普遍采用的基本假定。对几何非线性问题的研究认为:当顶点水平位移与建筑物高度的比值大于1/500的时候, 就必须重视几何非线性问题的影响。
3.刚性楼板假定
刚性楼板假定在对高层建筑结构进行分析的时候, 一般假定楼板自身平面内的刚度是无限大的, 平面外的刚度则为零。这就简化了计算方法, 减少了结构位移的自由度。
(二) 高层建筑结构受力分析方法
1.框架一剪力墙结构的高层建筑内力与位移的计算分析, 大都采用连梁连续化假定。可由框架结构与剪力墙水平位移或转角相等的位移协调条件, 建立位移与外荷载之间关系的微分方程进行求解。
2.剪力墙结构的受力特性与变形主要取决于墙体的开洞情况。单片剪力墙按其受力特性的不同, 可分为单肢墙、小开口整体墙、联肢墙等各种类型, 不同类型的剪力墙结构其截面应力分布的规律也不相同, 计算结构内力与变形位移时需采用相对应的计算方法。
3.按照对计算模型处理的手法不同, 筒体结构的实用分析方法通常可分为:等效连续化法、等效离散化法和三维空间分析法。等效连续化方法的具体应用包括有连续化微分方程求解法、有限单元法、能量法等;等效离散化方法则包括等代角柱法、核心筒的框架分析法等;相对于等效连续化方法和等效离散化方法的筒体结构计算模型, 完全按三维空间结构建立计算模型来分析筒体结构体系的受力性能更为精确。三维空间分析法将高层筒体建筑结构体系看作是由若干个空间梁单元、空间柱单元和薄壁柱单元组合而成的空间杆系结构体系进行计算分析, 更符合受力结构体系的实际工作状态。
三、工程概况
本工程为某房地产有限公司开发的11楼, 工程主体地上30层, 地下2层, 结构总高度为93, 800米, 地上部分首层商铺及架空、其余为住宅, 地下部分为停车库。结构类型为框支剪力墙结构。本地区的基本风压为0.35k N/m2, 地面粗糙度类别为C类, 风载体型系数1.4。抗震设防烈度为6度, 设计基本地震加速度为0.05g, 水平地震影响系数最大值α为0.04设计地震分组为第一组。
对于高层建筑所采用框架剪力墙结构体系, 其中裙楼以住宅及塔楼电梯间为主核心筒, 楼梯间为若干个小型剪力墙筒体, 其余位置布置框架柱, 柱距7.2～9.8m。通过调整筒体剪力墙厚度和增减剪力墙数量, 使主楼的形心与刚心重合, 避免结构产生较大的扭转。住宅塔楼为了有效地确保建筑功能, 采用框支剪力墙结构, 并适当在平面设置结构转换层, 住宅上部标准层采用剪力墙结构, 剪力墙布置考虑建筑功能, 可保证两户打通的需要。本工程地下室不设防震缝, 裙楼于住宅塔楼柱外侧设置防震缝一道, 兼作温度缝, 缝宽300mm。在设计过程中, 合理确定各构件的截面尺寸, 使绝大部分构件以合理经济的指标进行设计, 如楼板厚度的选择对结构造价影响较大, 因此需在设计中以满足强度与刚度要求的情况下选取较小的厚度, 同时与各设备专业密切配合, 只在局部埋设暗管的部位增加板厚, 避免为设计便利而增加构件尺寸的情况。
合理选用基础方案与基坑支护方案, 对于高层建筑结构及其带有地下室的情况, 由于基础及基坑支护的造价在结构工程中占有很大部分, 对工程造价的影响也较大。因此, 在设计过程中, 应当对高层建筑结构的基础设计与基坑支护设计多方案经济比较, 从而选取较为经济的方案进行设计。
鉴于高层结构其涉及到构件繁多, 而且其受力较为复杂, 尤其是风荷载与重力荷载起着决定作用, 为此必须对构件材料的选取、经济性以及构件受力方面更加着重考虑。结合本工程设计实践, 笔者总结了高层建筑结构设计时可采取的有效设计措施, 以确保结构在良好受力的前提下, 仍有效地保证工程的经济性。
四、高层结构布置要点
(一) 采用新型轻质墙体材料
高层建筑结构鉴于其重力荷载较大, 因此设计时应尽可能地选取轻质材料, 如本工程拟采用容重<11k N/m3的轻质墙材作为非承重的分户、分室、厨厕隔墙 (机房隔墙除外) , 控制及减轻建筑物总自重, 并由此控制各层楼板和构件钢筋含量。
(二) 采用高强度钢筋替换低强度的钢筋, 合理采用Ⅱ、Ⅲ级钢筋
鉴于Ⅲ级钢筋的强度设计值360N/mm2, Ⅱ级钢筋的强度设计值300N/mm2, 盘圆钢筋的强度设计值210N/mm2, 工程实践表明, 当采用二、三级钢筋代替一、二级钢筋用于楼板配筋、梁、柱箍筋, 可减小用钢量约20%, 有效地节约成本。因此在设计板钢筋及梁柱箍筋中应当合理采用Ⅱ级钢筋, 同时在梁柱主筋中合理采用Ⅲ级钢筋, 以有效地提高钢筋强度设计值, 减少钢筋用量, 降低构件最小配筋率或体积配箍率, 达到节约工程投资的目的。
(三) 采用根据弯矩包络图设计的方法进行梁配筋
由于现在运用的计算机结构计算软件多数采用空间杆系计算方法, 计算结果及配筋未考虑框架柱支座宽度的影响。若考虑此影响, 框架梁面钢筋的配筋可以适当减少。采用弯矩包络图设计的方法可考虑此因素, 同时在钢筋截断位置的确定上可以进一步优化。
(四) 结构分析
本工程使用中国建筑科学研究院PK.PMCAD工程部编制的结构分析程序《多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE》 (2004年5月版) 对结构进行整体分析。分析中考虑楼板开洞的影响, 上部结构与地下室作为一个整体, 上部结构的嵌固点位于±0.000;地震作用和风荷载按两个主轴方向作用, 同时考虑5%的偶然偏心地震作用下的扭转影响。通过采取上述的结构设计措施, 经结构分析, 本工程的主要控制参数结果表明, 本工程的各项控制参数均满足规范要求, 而且经济上表现客观。
五、结语
牯牛降转向架构架受力分析计算 篇5
牯牛降转向架是一种让单轨列车在高架的专用轨道上行驶的游乐观光设备, 主要是由转向架构架、传动部分、导向轮组成和安全轮组成等组成。而转向架构架又是转向架的关键零部件, 是承载和传力元件, 也是转向架其它各零部件的安装基础, 因此要求转向架构架能够承担足够的载荷, 以保证设备的正常运行和安全可靠性。其中, 转向架构架主要是由端梁组成、大梁组成、小梁组成和横梁组成等部件组成, 其主体部分主要是由6 mm厚的钢板 (材料为Q345B) 焊接而成。
1 转向架构架受力分析
转向架构架由于是单轨游览车的主要承载结构。在列车运行情况下, 主要承担着列车的垂向、横向、纵向和倾覆力等各种载荷:一是来自车体的重量和最大积雪情况下的垂向力、构架的重量、减速电机的重量及其输出的转矩载荷、制动装置的顶升或制动载荷等垂向载荷;二是在车辆通过弯道时, 来自导向轮施加的弯道向心力和转向力等横向载荷;三是来自车体和构架自身的纵向牵引载荷;同时, 安全轮由于偏载、风载、弯道引起的车体倾覆力。
2 转向架构架受力计算
2.1 转向架构架计算基本参数
(见表1)
2.2 转向架构架受力计算
车体、乘客和最大积雪施加的垂向力为13 456 N, 车体的最大牵引力 (紧急制动时) 为301 N, 减速电机安装扭力杆座施加的一对最大垂向力为2089.3 N, 制动装置所承受的作用力分别为2251 N和5101 N。
转向架构架在过弯道时, 单个导向轮承受的综合最大力为3610.9 N, 安全轮由于满载引起的倾覆力为686N, 安全轮由于偏载引起的倾覆力为2086 N。
3 转向架构架强度分析计算
3.1 构架有限元计算模型
基于ANSYS有限元分析软件, 建立了构架有限元计算模型。根据构架的结构特点, 构架采用四面体网格中的Patch Independent法进行网格划分。
3.2 载荷施加与约束
垂向载荷以集中力形式加载于构架悬挂弹簧座底板边缘的节点上;车体牵引载荷以集中力形式加载于构架悬挂弹簧座的节点上;倾覆力以刚性连接形式远程加载于构架安全轮支架安装座的节点上;离心力和转向力以集中力形式加载于导向轮安装座的节点上;制动装置的作用力以集中力形式加载于构架制动处的节点上;构架自重通过整体地球加速度加载于转向架构架上;构架牵引载荷以惯性载荷的方式施加在构架上;减速电机重量和扭力驱动载荷以集中力方式施加在构架的扭力杆套上;在轮对安装的空心轴轴承安装处施加垂向、横向和纵向位移约束。其中, 网格划分见图2, 构架计算模型的边界条件见图3。
3.3 计算结果应力变形云图
基于对转向架构架受力分析和ANSYS软件对其构架在以下组合工况进行有限元受力分析。工况1:在风速为15 m/s的环境下, 车辆偏载以最高速度 (10 km/h) 通过线路最小弯道半径 (12 m) , 并在弯道上紧急制动停车。工况2:在风速为15 m/s的环境下, 车辆满载以最高速度 (10 km/h) 通过线路最小弯道半径 (12 m) , 并在弯道上紧急制动停车。在此两种工况下的应力应变云图见图3~图6。
4 结论
从计算结果可以得知:转向架构架在受力最大的工况下最大应力约为91 MPa, 位于端梁和大梁的圆弧过渡处, 最大变形量为1.48 mm, 重要焊缝处最大应力为51.6MPa, 由于转向架构架安全系数:n=470÷91=5.2>5, 重要焊缝安全系数:n=470÷51.6=9.1>5。
其中, 根据有限元技术分析可以得出重要焊缝位置最大应力σ为51.6 MPa, 最小应力为49.6 MPa。焊缝材料强度等效于Q345B, 其疲劳极限强度σ-1为273 MPa。所以重要焊缝安全系数:n=470÷51.6=9.1>5。根据《第一重型集团标准焊缝强度计算》, 交变载荷需要在弯曲疲劳极限许用应力σ-1上加上降低系数r=1/ (1.33-0.33×pmin/pmax) , 其中pmin和pmax是最小和最大焊缝作用力 (绝对值) , 代入时带正负符号, r≤1。将焊缝的应力值代入计算得:r=0.99。所以S=273×r/51.6=5.2>1.3。
由以上计算结果可知, 转向架构架的强度及其焊缝强度满足标准GB8408第4.5.2条的要求, 焊缝疲劳强度安全系数满足标准GB8408第4.5.3.1条的要求, 为无限寿命。这为后期的合理设计与优化提供了数据依据。
摘要：介绍了牯牛降单轨车转向架构架的结构特点, 对其转向架构架进行受力分析和有限元分析, 并对其受力分析计算结果进行后期处理。
中欧钢结构构件受力计算规范比较 篇6
1. 轴心受拉构件强度计算
1.1 欧洲规范BS EN 1993-1-1∶2005计算方法介绍
欧洲规范条款6.2.3中通过考虑以下两种情况, 取较小值作为构件受拉承载力:
按毛截面计算:
按净截面计算:
其中γM0取为1, γM2取为1.25。对于C型钢和只有一个角肢连接的角钢受拉强度计算另有详细的规定。
1.2 中国规范GB50017-2003计算方法介绍
轴心受拉构件一般是按“毛截面屈服”和“净截面拉断的准则”进行计算的。由于断裂的后果比屈服更为严重, 为了方便设计, 我国规范对有孔拉杆按净截面屈服进行计算。
中国规范按净截面屈服计算, 而欧洲规范按毛截面屈服和净截面拉断进行计算。仅从公式上看, 不易看出轴心抗拉强度计算哪个规范更偏于安全。
2. 轴心受压构件整体稳定强度计算
2.1 欧洲规范计算方法介绍
2.1.1 钢构件截面分类
欧洲规范根据受压区的宽厚比, 分为四大类:一类 (塑性截面) , 二类 (紧凑型截面) , 三类 (半紧凑型截面) , 四类 (细长型截面) 。
2.1.2 计算方法
规范定义了受压构件的有效长度:杆件在平面内可以有效防止失稳的位置约束或方向约束点间的距离, 约束应有充分的强度和刚度以阻止约束点的位置或方向上的运动。
式中:NEd为抗压强度设计值;Nb, Rd为屈曲承载力设计值。
前三类截面不考虑板件局部屈曲的影响, 认为构件截面全截面有效:
当板件宽厚比足够大, 截面属于第四类截面时, 需考虑局部屈曲的影响, 进行有效面积的计算:
当考虑构件整体稳定时:
第一, 二, 三类截面。
第四类截面。
2.2 中国规范GB50017-2003计算方法介绍
轴心受压构件强度与轴心受拉相同, 但通常整体稳定是确定截面的最重要因素。由于杆件失稳是沿全长弯曲, 部分截面中孔眼削弱的影响很小, 故不予考虑。计算公式如下:
φ=σcr/fy为轴心受压构件的整体稳定系数, 为临界应力与钢材屈服点之比。中国规范考虑了杆件存在的缺陷, 并只考虑残余应力和初弯曲两个最主要的影响因素。
2.3 中、欧规范轴心受力构件承载力计算算例
现选取一根截面为UC203×203×71等级S275的轴心受力构件, 无支撑长度为3m, 假设构件两端为铰接节点。毛截面面积Ag=90.4cm2, 有两个直径22mm螺栓孔, 孔洞面积A0=3.14×0.25×1.12×2=1.9cm2, 计算构件抗拉, 抗压承载力。
中国规范:轴心受拉时, N=2433.8k N。轴心受压时, 此截面为b类截面, λ取较大值, 查表得出φ值, φ=0.801。N=φAf=1991.3k N
欧洲规范:轴心受拉时
两者取小值, Npl, Rd=2486k N。轴心受压时
不属于第四类截面。
假定弱轴弹性屈曲为控制工况, 使用屈曲曲线“c”计算, 缺陷系数α=0.49。
中欧规范轴心受力构件极限承载力对比, 见表1。
由此可见, 计算轴心受拉时中国规范偏安全, 欧洲规范得出的承载力比我国规范大2%;轴心受压构件整体稳定计算, 中国规范将轧制“H”型钢, b/h>0.8时, 弱轴按照b类屈曲曲线考虑, 而欧洲规范将轧制“H”型钢, h/b≤1.2时, 弱轴按照c类屈曲曲线考虑, 欧洲规范计算结果偏于安全, 我国规范计算承载力比英国规范大32%, 两种规范的计算结果偏差很大。
结论
总体而言, 两种规范的理论基础是一样的, 中国规范计算相对简便, 便于掌握;欧洲规范计算过程详尽, 比较复杂, 考量的因素也更全面。各国规范都是在各国多年实践的基础上总结出来的经验准则。在工程实践中, 要结合当地的要求, 具体情况具体分析, 才能做出安全、经济、合理的建筑结构。
摘要：本文针对钢结构典型的轴心受力构件, 运用中国和欧洲的规范, 从原理及计算方法上进行比较, 为海外项目钢结构设计提供参考。
关键词：钢结构,受弯构件,欧洲规范
参考文献
[1]崔佳, 魏明钟.钢结构设计规范理解与应用[M].北京:中国建筑工业出版社, 2004:114-115.
低压框架断路器的机构及受力计算 篇7
1 框架断路器的机构
1.1 机构动作原理分析
框架断路器的机构的分闸、储能、合闸位置分别如图1a) 、b) 、c) 所示, 储能机构是断路器四连杆机构之外的另一个独立的机构, 其作用在于为断路器的合闸提供合闸力矩。如图5a) 所示, 机构在分闸位置是一个五连杆机构 (即AB、BC、O1A、O2C四杆及两轴心的连线O2O1) 。
储能:要使断路器合闸, 先要储能。储能机构由凸轮1、储能弹簧2、储能杠杆3、释能杠杆4、释能半轴组成5。如图a) 所示, 手柄或电动机传动机构带动凸轮逆时针方向转动, 储能杠杆在凸轮在作用下绕O4逆时针方向转动, 在转动过程中, 储能杠杆的另一端不断压缩储能弹簧。当凸轮转到一定的角度时, 被释能杠杆卡住, 释能杠杆绕O5顺时针方向转动, 转动后释能杠杆的另一端被释能半轴卡住, 停止转动, 因此凸轮也被释能杠杆卡住, 停止转动;同时, 由于储能杠杆逆时针方向转动, 通过弹簧拉动O1A, 使之顺时针转动, 使得O1A的另一端的凹槽刚好落在分断杠杆的凸轮中, 分断杠杆在弹簧拉力的作用下顺时针转动, 转到了分断半轴的正下方, 储能完成, 如图b) 所示。
合闸:储能完成后, 如图b) 所示, 此时机构由五连杆机构变成四连杆机构 (即AB、BC、O2C三杆及两轴心的连线O2A, O1A的另一端已被分断杠杆卡住, O1A已不能转动, 故A点可视为固定点) 。断路器合闸时, 按下合闸按钮, 释能半轴转动, 释能杠杆脱离释能半轴, 凸轮在储能杠杆压力的作用下逆时针方向转动, 如图c所示, 储能杠杆失去了凸轮的支撑, 迅速大力的打在连杆AB上, AB顺时针方向转动, 通过连杆BC带动触头杠杆O2C, O2C通过CE连杆传递, 带动触头朝闭合方向转动。当连杆AB转过死点 (AB与BC同一直线时为死点) , 节点B被G卡住, 不能继续转动, 此时断路器完全闭合。
分闸:合闸位置如图c) 所示, 分闸时, 按下分闸按钮, 使分断半轴逆时针方向转动, F点脱离分断杠杆, 在触头压力及弹簧拉力的作用下, 杠杆O1A逆时针方向转动, 触头被弹簧迅速提起, 当AB杆转动到一定角度被T挡住, 分断完成。
1.2 机构受力计算
机构受力的计算目的是确定并验证触头的压力、分断半轴的受力大小, 并判断是否能满足设计要求。通过力学计算可确定各个连杆所成的角度, 进而确定各个连杆的长度, 各个固定点的相对位置。下面以UEW5-2000型低压框架断路器的机构为例, 进行分析计算:
设计触头压力为100N, 即
触头压力 (3个触头) 与DE杆对触头支持的压力关于O8成一对力偶, 于是有:
节点D受力平衡, 可得;
节点C受力平衡, 横轴分力平衡可得:
纵轴分力平衡可得:
由式 (4) 、 (5) , 可求得:
节点B受力平衡, 可得:
支撑点G对节点B的反力:
对于连杆AF, 连杆AB对它的压力与杠杆O7F对它的压力关于O1成一对力偶, 于是有:
对于杠杆O7O3, 分断半轴对它的压力与连杆AF的压力关于O3成一对力偶, 于是有:
1.3 结论
通过以上对框架断路器的机构分析与受力计算, 可得出以下结论:
1) 储能机构是独立于四连杆机构之外的独立机构, 只提供四连杆合闸时所必须的合闸力矩;
2) 触头压力由触头弹簧及静触头相对位置决定;
3) 触头超额行由静触头相对位置及合闸时触头支持所能转动的角度决定;
4) 主拉簧的拉力大小决定了触头的分断速度, 拉力越大, 分断速度越快, 同时合闸时所给的力矩也越大, 即储能弹簧的反力也越大。
2 结论
平面连杆连杆机构是断路器的典型操作机构, 分闸、合闸时是四连杆, 脱扣时由四连杆变成五连杆。通过对框架断路器连杆机构的分析, 我们可以知道各个杆在动作过程中的运动轨迹以及不同状态所处的位置, 各个杆在运动过程中及处于不同状态的受力情况。进而可在原来的基础上推陈出新, 不断开发出更加可靠、性能更强、结构更紧凑的操作机构和框架断路器。
摘要：断路器的机构是断路器很重要的组成部分, 机构决定了触头的压力大小、脱扣力大小、超程、开距, 以及断路器分闸、合闸、脱扣的可靠性。随着低压电器的不断发展, 框架断路器的机构也在不断创新, 以下是万能式框架断路器机构的组成、动作及受力情况。
关键词：断路器,机构,动作原理,受力计算,四连杆,五连杆,合闸,分闸,脱扣
参考文献
[1]陈德桂.低压断路器的开关电弧与限流技术[J].动触头斥开过程与机构动作的配合, 2006.