空间整体稳定

2024-06-27

空间整体稳定（精选7篇）

空间整体稳定篇1

钢结构建筑(如大型会展中心、机场航站楼、高铁站点、体育馆等建筑)是高大空间建筑中最为常见的建筑形式,一般多为大型公共建筑。建筑内火灾荷载较为集中,人员分布密集且建筑内待疏散人群对建筑疏散路线、疏散设施缺乏了解,一旦发生火灾,将产生大量的热和有毒气体,热辐射、烟气毒性以及减光度等都将直接危害建筑内的人员生命安全。与此同时,火源产生的热烟气以及火源火焰体的直接热作用也将加热屋面钢构件,钢构件升温后钢材的材料性能以及力学性能逐渐降低,建筑钢结构可能发生局部失稳或者整体坍塌,造成严重后果。

传统的结构抗火设计通常采用BS EN 1991-1-2:2002曲线、ISO 834曲线、SFPE handbook曲线、ASTM-E119曲线或温度均匀分布的室内温升曲线预测火场中结构的稳定性,与实际火灾相差较大。高大空间建筑火灾烟气温度场呈现典型的空间非均匀分布特征,且同一空间点的烟气温度又随着时间变化而变化。传统的标准温升曲线或均匀的室内温升曲线不能准确地预测和分析结构的实际火灾反应。实际火灾中的温度场分布的不均匀性,使结构内力重分配,往往造成整个平衡体系的重新调整,有时会出现远离火源的结构反而率先破坏的现象,采用传统均匀温度场无法反映这一整体性特点。

基于以上的分析,以某会展中心为例提出了非均匀受火钢结构整体稳定性分析方法。该方法将火灾发展过程中随时空变化的烟气温度场与结构应力场耦合,借助于CFD火灾模拟软件(FDS)和有限元结构分析软件(ANSYS),实现火灾全过程非均匀受火钢结构整体稳定性时变分析。

1 工程概况

某会展中心为高大空间钢结构建筑,建筑设计耐火等级为一级。建筑长50m、宽50m、高8m,采用钢筋混凝土方式四周围护,屋面为钢结构屋顶。屋顶采用桁架结构,如图1所示。腹杆外径为114mm,壁厚为4mm,上下弦杆外径为159mm,壁厚为8mm。会展中心设有2个安全出口,单个安全出口宽度为6.5m。沿建筑周边设有环形消防车道。会展中心内部设有自动扫描射水高空水炮,能够监测前期火灾,并能有效控制火灾。

按照我国现行建筑防火设计规范要求,对于耐火等级为一级的建筑,不燃性屋顶承重构件的耐火等级不应小于1.50h。传统防火设计方法需要喷涂防火涂料进行防火保护。由于建筑体量较大,整体喷涂防火涂料造价较高,建筑设计方拟不对屋面钢结构进行整体喷涂防火涂料保护。设计方拟通过设计自动水炮灭火系统辅助屋面自然排烟窗的补偿方式降低屋面烟气温度,避免建筑结构的失稳坍塌。如若发生火灾,自动水炮灭火系统辅助屋面自然排烟窗的补偿方式能否有效降低屋面钢结构温度,防止结构失稳坍塌,以使屋面钢结构达到国家要求的耐火极限,需要进一步论证。

2 设计火灾场景

设计火灾场景,研究受火钢结构的温度场分布以及轴力、位移变化。

2.1 火源位置

该建筑为封闭空间,且各展位之间设置了有效的防火隔离带,室内很难发生因飞火或热辐射而造成的火蔓延现象,火灾风险评估中暂不考虑双火源火灾。该会展中心建筑形式具有对称性,选取会展中心中央位置展品火灾(A火源)以及会展中心角落位置展品火灾(B火源)为设定火源位置,研究会展中心中央位置发生火灾时轴对称顶棚射流扩散现象以及角落发生火灾时非轴对称顶棚射流现象,如图2所示。

2.2 火灾规模设定

根据设计方提供的资料,会展中心内部设置自动扫描射水高空水炮。当建筑发生火灾时,自动扫描射水高空水炮能够及时探测到火源位置,并对火灾实施灭火控制,火源的热释放速率会因自动扫描射水高空水炮的动作而停止增长,甚至衰减至熄灭。会展中心内的自动扫描射水高空水炮,其技术性能如表1所示。通过表1可知,该系统采用集成火灾定位系统进行火灾探测,最小可探测火焰尺寸为0.3m。火灾蔓延速率一般取0.006m/s,则从起火到火灾发展到可以被探测的时间为(0.3/2)/0.006=25s。根据产品性能,自动扫描定位喷水灭火系统探测报警时间≤30s,定位延迟时间≤120s。因此,当火灾发生后175s时,该系统可进行灭火操作。设火灾增长系数为α,考虑1.5倍安全系数,此时会展中心火灾可能达到最大热释放速率为1.5×1752α。

发生火灾时,若会展中心内自动扫描射水高空水炮未能够有效开启,则火灾可能发生延烧,过火面积随时间增大,则需要专业消防人员进行扑救。考虑到我国消防队员在接警后5min到达火场,并在火灾发生后10 min开展有效的灭火战斗并控制火势的发展。也即若会展中心内自动扫描射水高空水炮未能够有效开启,火灾发生后600s才能够得到外界救援力量的控制。考虑1.5倍的安全系数,在自动扫描射水高空水炮未能够有效开启时,会展中心内的火灾最大热释放速率为1.5×6002α。

2.3 火灾发展模型

根据设计方提供的资料,会展中心主要用于木质展品的展出,且展品分区域展出,火灾类型为高大空间的区域火灾。参考张国维《A Whole process prediction meth-od for temperature field of fire smoke in large spaces》,对于多木质可燃物的高大空间建筑区域火灾,火灾发展阶段可以简化为火灾发展系数为0.034 6kW/s2的t2火,火灾稳定阶段火灾热释放速率保持恒定。确定水灭火系统有效时会展中心内火灾发展模型1,如式(1)所示。

同理,确定水灭火系统失效时会展中心内火灾发展模型2如式(2)所示。

2.4 设计火灾场景

根据最不利且具有代表性的原则设计火灾场景,综合考虑建筑内的消防设施的有效性、火源位置以及火灾发展模型,确定会展中心火灾场景如表2所示。

3 火灾非均匀烟气温度场分布

采用FDS大涡模拟技术对火灾发展过程中的烟气层温度进行定量预测分析。根据图纸建立会展中心的计算模型,确定FDS网格尺寸为0.25 m×0.25 m×0.25m,网格总数为1 280 000。

以火灾场景A00为例对烟气危害因素定量分析过程进行阐述。火灾场景A00基本描述:火源位置A,最大热释放速率18 684kW,火灾发展模型1,水灭火系统失效,自然排烟失效。计算初始条件:建筑室内外温度设为20℃ ,建筑内通向室外的门为开启状态,火灾模拟时间为5 400s,采用大涡模型模拟。模拟结果如图3所示。可以看出,火场温度呈现典型的非均匀分布,远离火源处温度较低。

4 受火钢结构整体稳定性分析

基于构件的钢结构稳定性分析存在自身缺陷,而基于结构整体的钢结构稳定性分析方法能够充分考虑实际火灾中的温度场的不均匀性分布以及结构内力重分配现象,能够从结构整体出发考虑建筑的稳定性。采用基于结构整体的钢结构稳定性分析方法对设计火灾场景下的受火钢结构的整体稳定性进行分析。以火灾场景A00为例,研究消防设备失效情况下钢结构整体的稳定性。

采用ANSYS有限元软件建立屋盖钢管桁架的有限元几何模型,共计841个节点(上弦节点441个,下弦节点400个),3 200个杆件。根据李国强等人的研究成果及现有规范,对ANSYS中高温下钢材的具体物理、力学参数取值如下:材料的热传导系数λs=45W/(m·K);材料的比热容Cs=600J/(kg·K);材料的热膨胀系数α=1.4×10-5;材料的密度ρs=7 850kg/m3;材料的泊松比υs=0.3;弹性模量的取值参考EC3 给出的高温下普通结构钢弹性模量的模型。

材料的应力应变曲线:应力应变曲线参考EC3给出的不考虑钢材屈服后强化时的应力应变关系模型。

基于FDS大涡模拟获得的烟气温度场,利用MAT-LAB计算机编程的方法获得钢构件各节点的温升曲线。使用DIM命令定义二维数值型数组,并利用VREAD命令读取由MATLAB软件计算得来的钢构件温度—时间数据文件并填充数组,用作火灾分析时的温度条件,对该结构进行恒载升温的火灾分析。加载步骤共分为541步,第1步为重力荷载及节点集中荷载的施加,第2步至第541步为温度的施加,每隔10s为一步,共5 400s,如图4所示。

运行ANSYS,获得火灾全过程中受火钢结构整体的位移变化与轴力分布,如图5~图7所示。

可以看出,位移与轴力随火灾的发展逐渐变大。火灾发生880s时,钢结构的最大位移超过了200mm,达到了临界安全判据。认为钢结构整体失稳的时间为880s。在不考虑结构坍塌的情况下,火灾全过程中位移最大值出现在火灾衰减阶段初期(火灾发生后3 800s),最大位移为415mm。

同理,对其他7个火灾场景下的钢结构整体稳定性进行定量分析,得到各火灾场景下钢结构整体失稳时间,如表3所示。

5 结论

提出了将时空变化的钢构件节点温度场作为温度荷载施加至结构有限元模型中进行受力分析,实现非均匀分布的时空温度场与结构应力场耦合,对火灾全过程中非均匀受火钢结构的整体稳定性进行时变分析。该方法克服了采用ISO标准曲线、BS EN 1991-1-2:2002温升曲线(或其他均匀室内温升曲线)以均一温度替代非均匀温度场的天然缺陷,可以反映出时空变化的非均匀温度场的温度梯度差引起的结构附加内力和内力应力重分布现象。

参考文献

[1]石永久,白音,王元清.大空间结构防火性能化设计方法研究[J].空间结构,2006,11(4):16-20.

[2]ZHANG Guo-wei,ZHU Guo-qing,HUANG Li-li.Temperature development in steel members exposed to localized fire in large enclosure[J].Safety Science.2014,62:319-325.

[3]肖春花,姚浩伟,周斌.某建筑整体钢结构抗火响应特性的比较[J].消防科学与技术,2014,33(11):1268-1271.

[4]张明,倪照鹏,彭磊,等.装配式钢结构建筑消防问题及解决方案[J].消防科学与技术,2014,33(11):1272-1275.

[5]方廷勇,章涛林,卢平,等.热力耦合作用下单层钢结构框架力学性能研究[J].消防科学与技术,2008,27(8):551-555.

[6]ASTM-119-98,Standard test methods for fire testing of building construction and materials[S].

[7]张和平,王蔚,杨昀,等.全尺寸墙角火实验中木工板表面火蔓延研究[J].燃烧科学与技术,2005,10(6):506-510.

[8]ZHANG Guo-wei,ZHU Guo-qing,YIN Fei.A Whole process prediction method for temperature field of fire smoke in large spaces[J].Procedia Engineering.2014,71,310-315.

[9]LIU W F,XU Q J,QI W Q,et al.The experimental research on the fire characteristics of solid standard combustible materials[J].Fire Science and Technology.2014,33(7):729-731.

[10]张国维,朱国庆,袁广林,等.火焰热辐射作用下大空间火场钢构件升温模型[J].哈尔滨工业大学学报.2013,45(6):96-101.

[11]张国维,朱国庆,黄丽丽,等.大空间建筑火场钢构件升温实验与理论模型[J].中国矿业大学学报,2013,42(3):370-375.

空间整体稳定篇2

随着深基坑工程规模、基坑深度的不断加大和设计方法的改进,对基坑的设计和整体稳定性验算提出了更高的要求,土中水的问题是基坑设计的难点,也是关系其稳定的重要因素。

基坑整体稳定性分析是对具有支护结构的直立土坡的分析,目的在于对基坑侧壁支护结构在给定的条件下设计出合理的嵌固深度或验算已拟定的支护结构是否稳定和合理。目前,整体稳定性分析方法中已经考虑了地下水的问题,但实际工程对基坑整体稳定性验算中,很少考虑基坑渗流和孔隙水压力的影响,这显然不符合实际。事实上,在基坑降水过程中地下水渗流是非稳定的,按稳定渗流分析基坑的整体稳定性显然不能真实地反映地下水的影响。

作者以水泥土挡土墙为例,降水使得坑下地下水整体自下向上流时,不考虑土体分层和各向异性,考虑降水方案和降水过程的影响,利用FOR-TRAN编制程序,对基坑内外的非稳定渗流进行模拟,进而根据圆弧滑动法分析基坑不同降水时刻的整体稳定性,分析降水引起的非稳定渗流对基坑整体稳定性的影响,并据此探讨降水过程中基坑整体稳定性的变化规律。

1 基本理论

1.1 二维非稳定渗流理论

简便起见,不考虑开挖过程的影响,假定基坑无限长,并且沿长度方向土的各种参数不变,则基坑降水过程中的非稳定渗流可采用饱和-非饱和二维非稳定渗流数学模型进行模拟,其基本方程为:

式中:H为饱和-非饱和水流总水头;θ为土体体积含水率,用以表示非饱和土的饱和度;Q为汇源项;t为降水时间;x和y分别为水平向和竖向坐标;k为饱和-非饱和土的渗透系数,编制程序时非饱和土的渗透系数可根据文献建议的基于土-水特征曲线的方法进行估算。

1.2 边界条件

基坑计算模型见图1。边界条件取为:水泥土挡土墙底下一定深度处为不透水边界,水平方向无穷远处为给水边界。由于水泥挡土墙透水性与土相比可以忽略,定义其周边为不透水边界。假定基坑内外初始水位为天然水位。开始降水后,基坑内外水位均降低,建模时基坑外水位定义为自由边界,基坑内水位变化按不同降水方案进行,即假定基坑内水位在n d内降到设计水位,并保持水位不变。

1.3 方程的求解

本文编制FORTRAN程序时应用迦辽金法建立有限元渗流方程为:

式中:[B]为梯度矩阵;[k]为单元渗透系数矩阵;{H}为节点水头向量;{N}为插值函数向量;{Ν}T{N}=[m]为质量矩阵;q为边界流量;λ=mwγw,其中mw为土体体积含水率,θ孔隙压力u曲线的斜率,γw为水的重度。

其中浸润面根据饱和与非饱和法进行确定,土中水的各势之间存在下列关系:

式中:φ在饱和区为压力势,值为正;在非饱和区为基质势,值为负。所以,首先假定全域饱和,然后根据求得的φ调整渗透系数,重新进行计算,直到计算结果达到精度要求,即可确定渗流场,进而求出φ=0的等势线,即为浸润面。

1.4 基坑整体稳定性分析

基坑整体稳定性分析的方法与边坡稳定分析一致,一般采用条分法,作者选取Bishop、Janbu和Morgenstern-Price三种计算方法,对比分析安全系数随时间的变化,在后文分析降水方案、渗透系数对整体稳定安全系数的影响时,采用了工程中较常用的Bishop法计算结果对基坑稳定性进行分析。

Bishop法仍然是圆弧滑动条分法,它在建立土条力平衡方程时,考虑了侧向力的影响,其土条受力分析如图2所示,根据力的平衡条件可得边坡稳定系数:

式中:L为滑弧长度;Wi为土条自重;Ti、Ti-1为土条间水平作用力;μi为渗流作用下滑面上孔隙水压力;c′、φ′为土的有效应力系数。

编程时考虑了以下几点:(1)建立的模型与渗流模型一致,便于孔隙水压力的导入;(2)采用网格法来搜索危险滑移面,可以采用逐渐缩小搜索面的方法,即开始时可以在滑裂面可能出现的地方搜索,然后慢慢缩小搜索面积,尽量使最小安全系数出现在搜索网格的中间部位;(3)基坑丧失稳定性发生滑动时,滑动土体将沿滑动面整块滑动,滑动面通常为一曲面。为计算方便,Fellenius等人认为滑动面为一个圆弧,基于这样的假定一般都能够保证工程的安全。另外,在桩下没有软弱下卧层时,最危险滑动面通过坡脚或桩的最底端,大量的计算分析也证明了这一点。因此在选定可能的滑裂面时,一般只考虑通过桩底端的滑动面。因此本文分析时,假定基坑最危险滑裂面为一个通过墙踵的圆弧滑裂面。

2 算例分析

基坑深5 m,宽40 m,采用水泥土挡土墙,墙高10 m,宽4.2 m,场地影响范围内土层以粉土为主,孔隙率θ=n=43%,抗剪强度指标φ′=30°,水位以下平均重度为18.8 k Nm3,水位以上取18 kNm3。饱和渗透系数k=0.5 m/d,对非饱和区,定义渗透系数与基质吸力的变化关系及水土特征曲线见图2和图3。计算时假定降水前水位与地面相平,坑内水位N d内降低5 m,然后保持不变,为考虑降水速度对基坑稳定性的影响,N分别取1、5和10时,降水30 d内的基坑整体稳定性变化,模拟方案计算见图3。

2.1 基坑整体稳定性计算分析

作者选取Bishop、Janbu、Morgenstern-Price三种计算方法,对降水过程中各个时刻、各种可能的滑裂面进行计算。表1给出了考虑按照降水方案b降水过程的非稳定渗流、考虑稳定渗流和不考虑渗流时按三种计算方法计算的整体稳定安全系数值。

可以看出:考虑非稳定渗流的安全系数随时间而不断增大,最后趋于某一稳定值。这可归结为在降水过程中,由于坑外水位不断下降,水力梯度也逐渐减小。另外考虑非稳定渗流的安全系数基本上都大于稳定渗流的结果,仅在刚降到预定水位时略小于后者。但由于渗流作用,安全系数始终比不考虑渗流时小很多,因此对于有地下水渗流的基坑,其整体稳定性计算时,如果不考虑渗流将使得计算结果是偏于危险的。

另外,从表1中也可以看出,按照Bishop法和按照完全考虑土条间作用力的Morgenstern-Price法的计算结果相差不多,且Bishop法比较简单,在工程中采用该法进行计算是适宜的。但要注意条块底部不能出现拉力,否则Bishop法也会产生很大的误差,甚至不能适用。

2.2 降水方案、渗透系数对安全系数的影响

以Bishop法的计算结果为据,分析降水速度和渗透系数对基坑整体稳定安全系数γs的影响。

采用自编程序,分别模拟土体渗透系数为0.5m/d、2.16 m/d、5 m/d、8.64 m/d的基坑,每种基坑均选取上述三种降水方案进行模拟,计算结果见图3。通过分析,可以得到以下结论:

(1)考虑渗流的计算结果均比不考虑渗流要小的多,渗流对支护结构整体稳定性不利,这与渗流对挡土墙的抗倾覆和抗滑移稳定性产生有利影响正好相反。

(2)随降水的进行,不同的降水方案,安全系数有不同程度的增大,但对同一土体在坑内水位降到预定水位后,安全系数很快就趋于稳定,并且三种降水方案下的安全系数趋于一致。

(3)渗透系数对不考虑渗流和考虑稳定渗流时的安全系数无影响,而对于非稳定渗流则是渗透系数越大,安全系数越大。

(4)除渗透系数为的土体外,考虑稳定渗流的计算结果比降水到预定水位时刻的安全系数稍小,偏于安全。因而,对于渗透系数较大的土体,在设计时,可以按照稳定渗流计算挡土墙整体稳定安全系数。

3 结论

本文通过应用自编程序,探讨了降水过程中基坑整体稳定性的变化规律。通过对不同渗透系数的土体在不同降水速度下的基坑的模拟,详细分析了降水速度和渗透系数对整体稳定安全系数的影响,并与考虑稳定渗流和不考虑渗流的计算结果进行比较。结果表明:渗流对基坑整体稳定性是不利的,因而在设计时只有充分考虑地下水渗流的影响,才能保证设计的安全性;渗透系数对非稳定渗流的影响较大,对于渗透系数较大的土体,在设计时,可以按照稳定渗流计算基坑整体稳定安全系数,但要充分考虑降水速度的影响。

摘要：通过模拟降水过程中基坑的非稳定渗流,分析了降水过程中基坑整体稳定性的变化规律,探讨了非稳定渗流、基坑降水方案和渗透系数对整体稳定安全系数的影响。分析结果表明,渗流对基坑整体稳定性不利。在设计时只有充分考虑地下水渗流的影响,才能保证设计的安全性;渗透系数对整体稳定性的影响较大,对于渗透系数较大的土体,设计时可以按照稳定渗流计算基坑整体稳定安全系数,但要充分考虑降水速度的影响。

关键词：非稳定渗流,基坑,稳定性

参考文献

[1]唐业清.深基坑工程事故的预防与处理[J].施工技术,1997,01:4-5

[2]薛禹群.面临21世纪的中国地下水模拟问题[J].水文地质工程地质,1999,26(5):1-3

[3]李玉岐,谢康和.考虑渗流作用的基坑围护结构稳定性分析[J].科学通报,2005,21(4):440-444

[4]孙淑贤.深基坑周围地下水渗流破坏影响因素的分析[J].长春科技大学学报,1998,28(4):422-426

[5]姜忻良,宗金辉.基坑开挖工程中渗流场的三维有限元分析[J].岩土工程学报,2006,28(5):564-568

[6]黄春娥.考虑渗流作用的基坑稳定分析[D].浙江大学博士学位论文,2001

锅炉钢结构的整体稳定性研究篇3

1 分析框架结构稳定的近似状态

目前要分析框架的弹性, 有许多种方法, 常用的有平衡法、转角位移法以及刚度矩阵法。单层单跨的屈曲荷载是其中最为简单的一种情况, 一般多采用平衡法来进行分析, 而且平衡法也只能用于这种简单情况的分析, 进行其他情况的分析时多采用转角位移法, 此方法必须要依据二阶分析要求, 将杆件变曲刚度受轴力影响的情况计算进去。合理的设计框架就必须使所有柱都在同时失稳, 只有这时的框架弹性才比较稳定, 框架结构的弹性稳定计算等同于计算的框架柱的弹性稳定, 也就是说框架中任意一柱所承受的弹性临界力与该柱在框架整体发生弹性失稳时承受的轴力是相同的, 所以, 当框架符合或者近似于所有柱同时失稳时的条件, 就可将对框架结构弹性稳定的分析当成框架柱的长度问题来计算。但是要计算框架的稳定又要按照其失稳模态来进行分析, 而框架结构的失稳模态又分为无侧移与有侧移两种, 当框架柱到达临界状态时, 同一节点相交的梁为该柱提供的约束变矩则会依据柱子线的刚度比分配到各个柱子上, 因此这时要考虑到连同该柱的横梁与柱的约束作用。在发生无侧移对称屈曲的情况时, 横梁两端转角的方向相反但大小却相同, 该柱转角的大小与方向和上下柱的远端转角都相同, 当发生有侧移反对称屈曲的情况时, 横梁两端的转角方向与大小都是相同的, 上下柱转角的大小与方向都相同。

2 ANSYS中的两种屈曲分析研究

2.1 钢架特征值屈曲分析研究

首先要考虑风荷载的水平作用, 让柱节点与梁中点上的垂直载为100KN。

此时, 特征值屈曲分析所得临界荷载, 如下:TIME/FREQ:280.53、280.98、282.16;LOAD STEP:1、1、1;SUBSTEP:1、2、2;CUMULATIVE:1、3、3

当施加的向荷载为100KN时, 就取得了上述第一阶模态的所得值, 与10KN乘积为28 000KN就是屈曲临界荷载。此时各阶屈曲模态中显示出的构架是对称失稳的。

2.2 钢架非线性屈曲状态研究

研究钢架非线性的屈曲状态时, 可将特征屈曲荷载看作给定荷载, 再以特征矢量屈曲为依据来行状, 在结构上施加初始缺陷和扰动荷载, 再通过临界荷载进行弧长法分析, 但是在实际的工程进行中, 要使一个模态分析行到结构临界的荷载点, 这时再计算非线性屈曲产生结构的安全系数。

而这时从模态分析图形中将不难发现, 柱FZ-4会最先发生失稳屈曲, 在47.5m顶点处的荷载-位移将从图中可以看出, 本构架的失稳形式是极值点失稳, 这时的非线性屈曲荷载为2*105KN。

3 结语

总而言之, 随着电力与冶金行业的不断发展, 锅炉钢架这种特殊的结构越来越广泛的被应用到了实际工程中, 通过利用ANSYS对框架进行力学方面的分析, 并依据分析结果来分析锅炉钢结构的整体稳定性。

参考文献

[1]刘小强.吴慧弼.高层钢框架的非线性响应分析[J].重庆建筑工程学院学报, 1992 (2) :10-23.

[2]周学军.陈鲁.曲慧.多高层钢结构支撑的布置方式对框架侧向刚度的影响[J].钢结构, 2003 (4) :51-54.

单层球面网壳整体稳定性分析篇4

1.1 结构有限元模型

本文算例的计算模型取单层肋环型球面网壳, 跨度40 m, 矢跨比f/L=1/5, 网格环向分6份, 径向24份。结构杆件材料为Q235, 杆件截面均取圆钢管114.0×4.0, 节点刚接, 周边为固定铰支座。进行材料弹塑性分析时, 考虑理想弹塑性;初始缺陷按照结构跨度的1/300施加。本算例使用有限元软件ANSYS进行分析, 计算模型及节点编号见图1。

1.2 荷载及组合

结构荷载如下:

满跨均布恒载 (q) :结构自重 (杆件部分) +屋面 (0.3 k N/m2) 。

左半跨均布活载 (p) :p=0.5 k N/m2。

计算中, 只考虑正常使用极限状态的短期荷载组合, 其中活荷只施加在网壳左半跨。

2 结构线性整体稳定分析

本文提取了整体稳定失稳前20阶系数和6阶模态, 结果见表1和图2。从表1可知, 前2阶系数比较接近, 3, 4阶系数接近。由图2知, 网壳失稳均为反对称失稳模式, 这和反对称施加的荷载模式是相关联的。

3 计算模型的三种整体稳定分析

为了比较结构在不同的计算模型下整体稳定分析的不同, 本算例分别提取了各自的荷载—位移曲线及其稳定形态, 计算结果如图3及表2所示。由图3, 表2可见, 三者的极限承载力不同, 以完善结构几何非线性结构最大, 其稳定系数为22.717;考虑了初始缺陷以后, 其稳定系数略有降低, 其值为20.481, 但曲线走势大致相仿;在此基础上, 同时考虑材料非线性的话, 则稳定系数降为13.829, 而且曲线形状有了明显的不同。

由图4各个子图显示了在上述三种情况下结构的稳定形态。为了方便起见, 均将其变形扩大5倍画出。

很明显, 在考虑完善几何非线性和初始缺陷几何非线性情况下具有相仿的整体稳定形态, 但是失稳具体位置有所不同;在考虑初始缺陷双重非线性及结构变形不是很大的情况下, 达到极限承载力, 且凹陷的位置是半跨活荷载所在的位置, 这与缺陷几何非线性情况相同。这样一来, 如果单考虑结构的几何非线性或者初始缺陷, 结构的失稳形态可能估计失误, 而且很有可能高估结构的极限承载力。

摘要：采用有限元计算软件ANSYS对跨度40 m的单层肋环型球面网壳进行了线性、完善几何非线性、缺陷几何非线性和缺陷双重非线性结构的整体稳定分析, 分别比较了其各自的稳定形态及其荷载—位移曲线, 并得出了一些结论。

关键词：单层网壳,整体稳定,初始缺陷,几何非线性,双重非线性

参考文献

[1]苏慈.大跨度刚性空间钢结构极限承载力研究[D].上海:同济大学土木学院博士学位论文, 2006.

康复中心整体空间设计原则篇5

康复中心建筑设计应首先满足其功能需求, 不能一味求大求全。因此, 设计师在设计时要结合选址周围的市政配套、自然人文等条件, 立足功能需求, 合理控制规模大小, 统筹设备设施并遵循以下原则:

*合理分配普通医疗和康复医疗功能空间资源与医患配置比例, 达到社会效益和经济效益的平衡以及相互促进发展

按照建设资源节约型、环境友好型社会要求, 适应地方经济状况和康复人员生活需求, 康复中心的选址、拟建规模、远期规划均应结合实际, 各个功能区块的组成和比例也应根据具体情况确定, 并具有一定的变通性, 以便根据情况的变化做出调整。

*以人为本, 医患并重, 注重对活动在医疗空间内的所有人特别是康复人群提供全方位关怀, 营造卫生、安全、经济、高效的室内外环境

康复中心应从残疾人的特定康复需求及各场所开展康复业务的需要出发, 发展残疾人所必需的综合医疗和全面康复服务。应明确医疗区的功能分区, 细化各个医疗流程, 合理组织医疗康复空间, 使得医疗区医患分流、洁污分流, 为患者创造安全便捷的就医环境, 为其中的医护人员创造高效舒适的内部工作环境, 满足现代化康复中心低能耗高效率的要求。

*对康复医疗的功能和工艺流程设计进一步优化, 加强设计的通用性和可持续性

在功能分区合理、设备设施先进的前提下对建筑单体进行科学化、智能化设计。充分吸收国内外康复设施建筑设计的先进理念, 适应当地的经济技术发展水平, 实现设计的可行性。比如采用先进的医院街设计来整合门诊医技科室、各单体采用分体结构来适应不同需求, 利用智能化网络来适应新的管理模式, 为康复中心的建设和运行打下坚实的硬件基础。

内部功能分区设计

康复中心的功能分区主要包括康复医疗区、培训科研区、办公与后勤保障区, 还可根据自身发展和立项情况设立居住生活区和预留发展区。医疗康复区位于园区主体, 居中心位置, 且临近主要交通要道, 其他功能沿周边布置, 同时应充分预留发展用地。

*康复医疗区

医疗区包括门急诊、住院、医技、康复等四部分, 是康复中心的主要功能区。因为康复中心并不是大型综合医院, 所以普通医疗部分只占很小比例。医疗康复区应设置在用地规整、地势平坦、采光充足、景观较好的部位, 同时要设置在用地与城市主干道临近处, 这样交通便利、目标性强。其中如果设置感染医疗区, 其传染病门诊和病房应设置在单独区域, 位于用地范围的下风方向, 并与医疗区和生活区留有一定间距。

医技楼应位于中心地位;各建筑物中间保持的距离要适当, 既便于联系又要避免干扰。康复训练用房应根据使用人员频率设置, 多建设在临近病房楼的一旁。特殊功能和使用要求的康复用房应尽量单独设置。

医疗区各医疗功能部分之间的交通流线复杂, 一般包括四种类型的流线形式。第一类为外来人流, 包括患者、陪同家属、探视者;第二类为工作人流, 包括医生、技师、护士、职工;第三类为物品流线, 包括药剂、器械、食物、资料;第四类为污物流线, 包括垃圾、污水等。各类型流线应防止交叉, 减少和杜绝院内感染, 使医院内形成有秩序的动态环境, 组合好各建筑空间, 使各部门之间无穿越交通, 采用信息诱导图标, 引导医院内部流线。一般医生和患者, 住院和门诊患者, 成人和儿童患者, 食品和药品供应路线均应分设, 污物路线要隐蔽, 各活动路线不应交叉。

*培训科研区

培训科研区担负着康复中心的重要宣传培训科研职能, 包括对康复技术人才进行系统培养、对社区康复服务进行对口专业性指导, 以及开展康复信息咨询、康复知识宣传、康复理论研究等。培训科研区包括教育培训部和科研部。

教育培训部包括康复技术人才培育和残疾人职业培训。教育培训部门包括教学用房、图书资料用房、办公用房和学员生活用房等。教学用房分为普通教室及康复培训专项教室。

科研交流用房包括科研中心和交流中心。科研中心根据科研需求及主要研究方向设生物制药研发部、辅具研发部、电子耳蜗研发部、残疾人用品高新技术研发部、理论研究部等研究部门等内容。交流中心作为对外交流的窗口, 承担着会议、交流、接待等内容, 根据使用要求, 分设会议中心、接待中心两部分。设交流报告厅用房、招待用房、餐饮用房 (可为科研中心提供服务) 等。

培训科研功能在国家级和省级康复中心所占比重较大, 但现实中开展工作缺少必要场地, 因此, 在大型康复中心的规划中应充分预留其发展位置, 完善康复中心的全面康复职能。

*办公与后勤保障区

办公与后勤保障区包括管理办公区、后勤保障区和设备用房。管理办公区的管理职能包括行政管理、业务管理、信息管理、人事管理、财务管理、设备管理、后勤管理等。主要功能用房包括办公室、会议用房、报告厅、网络机房等。

后勤保障区包括病员餐厅、职工餐厅、职工宿舍、洗衣房、垃圾及污物处理等。一般介于医疗区和职工生活区之间, 便于双向服务。营养厨房应接近住院部, 必要时可设于住院楼内部。家属生活区一般不设在医院内部, 但生活区如果离医院过远, 康复中心院内必须设置工作人员宿舍, 并在场地中规划出充足的工作人员停车场。

设备用房包括氧气站、气体泵房、变配电室、发电机房、锅炉房、换热站、空调机房、消防设备用房、污水处理站等。设置内容由康复中心的功能需求决定, 并受周围市政设施的制约。这些设备用房属于污染服务区, 应设置在用地边缘, 并尽量自成区域, 在合适位置设置值班室和中心控制室。其中锅炉房应接近营养厨房和职工食堂, 并设在城市主导风向的下风向;空调机房、变配电室、换热站等设备用房应接近负荷中心, 一般可设于住院楼地下层或单独设置。

外部空间组合

*分散式布局

分散式布局是将各功能区块甚至医疗区各个科室都分别设置在单独的建筑物内, 一些规模较小的医疗建筑采用这种布局。这种形式的最大优点就是每幢建筑物均可获得较好的朝向、通风和采光, 便于结合地形和分期建造, 具有浓厚的庭园式气氛, 同时保证室内环境安静、舒适卫生, 便于隔离, 防止交叉感染。其缺点是各个楼独立设置, 占地面积大, 增加了交通路线和能源消耗, 使得建筑综合费用较高, 不利于日常管理和设备设施的集中使用。

这种布局方式最利于大型医疗机构的分期建造, 各个单独的建筑自然采光和通风都很好, 但一定要在建设初期有统一的总体规划, 统筹规划分期建设, 否则, 将会带来许多不利因素, 比如:外部流线往复杂乱, 建筑占地大, 各相近功能分散设置, 联系不方便等。分散式布局适合疗养式的康复中心或以精神康复为特色的专科康复中心。

*集中式布局

集中式布局是以一个主体建筑物来囊括康复中心绝大部分工作部门的组合形式。这种集中式布局有点像综合写字楼, 是城市用地紧张造成的。集中式布局开始出现时受技术手段制约, 内部环境较差, 但随着新材料新技术的出现, 以及各个设备系统的发展, 综合布线的使用和物流运输系统的应用, 使得各医疗部门之间组织有序, 人流物流便捷, 能够满足医疗建筑的日常使用需求。这种集中式布局在现代建筑医疗技术的支持下, 省时增效, 为建造现代化专业化的康复中心开创了广阔的前景。

集中式布局的优点是节约用地, 为总体规划留出更多的室外绿化和室外活动场地, 有利于提高土地利用率。设备管线集中, 各科室竖向分割, 缩短了联系距离, 有利于将医患分离, 各流线统一管理。既节省了建设初期的投资又大大减少了使用中的维护费用。集中式布局的最大缺点是各部门之间相互干扰影响较大, 很难保持安静的环境, 且缺乏庭园化的室内外空间氛围。

集中式布局依托最大化的空间效率和资源效率, 使得医院在维持病患高护理水平的情况下, 有效提高运营效能, 对现有护理模式进一步整合提高。例如:美国加利福尼亚太平洋医疗中心 (CPMC) 教会山医院就非常注重室内空间的营造和室内环境质量, 它们采用无毒自然的建筑装修材料, 尽可能的设置屋顶花园和公共空间, 利用各种手段提高室内自然化氛围, 促进患者的康复。

*组合式布局

校园整体空间环境的创造与构建篇6

高校开放教育理念使得校园课室外部空间成为另一种形式的教育空间,是教室室内功能的外延,校园建筑摒弃了那种彼此孤立、封闭的空间形式,改变大学中各院系封闭独立环境的布置,整合教学资源,创造更多可融和不同学科知识的空间领域,以有利于资源共享和学科交流,加强学校的资源优势互补及多学科的综合发展。

校园的空间环境应创造出轻松、流畅和交融的建筑内外空间、打破大学校园中院系空间封闭、破碎而不连贯。在校园空间的设计中,引入连接空间的概念,将校园空间中的广场、院落、底层架空、水体空间和绿地串接成为整体的校园空间,而将各个分散的校园场所连接起来,形成人流动的空间,包括线性廊、人行步道、开放空间。使校园充满流畅、生长和具有内聚力的人性场所,连接空间一般分为廊道、屋顶与平台、底层架空、庭院与广场等。

一、校园建筑之间的连接空间

(一)连接体。

连接空间将建筑中不同的功能空间组织在一起,具有连接各个功能区域的作用,对于整体的校园空间而言,连接空间的设计显得十分突出,连接空间所形成的路线是师生天天通过的道路:并把多数空间要素相互统一并与更大的整体联系起来,在校园设计中,廊道经常被采用,如用连廊,观景平台,室外楼梯,步行桥等所形成的开放空间能较好地形成交流区域,同时也增加校园空间整体性、秩序性和开放性。

1.廊道。

走廊、步行桥、楼梯等形成的空间,属于线性空间并具有连续性、方向感的动态空间特征。在使用功能上“廊道”空间主要作为交通空间将人引导到目的地,起联系、交通功能,它不仅是方向上的指引和传导,还是空间过渡的界质,能使人停留或导向两侧的功能空间,是师生进行学习交流的好地方。此外,“廊道”空间不但可以遮阳避雨,其特有的通透性和开放性获得外部空间围合界面的统一效果,给师生较好的视觉感受,廊的庇护功能又使人们的活动不受气候干扰。楼梯是纵向通道,是解决楼层之间人流的集散,楼梯也是上下空间沟通的载体,使空间自然的承启转折。

2.平台。

平台也是创造丰富校园空间环境的一个有效手段,同时为高校的师生提供了良好的空中户外交往活动的场所。师生既能在此交往,站立交谈、观景,也可以设置临时的座椅作为较为私密的交流。同时,又能欣赏建筑周围优美的景色,这对于交往活动的进行无疑会起到良好的促进作用。平台使建筑外部空间环境有了更开阔的视野,增加了空间的渗透性、连续性。在各幢教学楼之间设置的休息平台为师生课间休息以及课后提供了交流的场所,加强了不同学科和院系之间的交流和学习。连接空间穿梭、渗透于建筑内外空间,使校园空间连续有序,既是交通空间,更是交往空间,是一种能有效促进形成师生日常出行、相遇和诱发交往的积极空间,在有意与无意中营造出学生的学习与交往的场所。同时能够有效地划分出不同的空间领域,增加空间的层次感。连接空间的连贯和设计的统一创造出内外一致的建筑,使校园空间环境呈现自然的有机整体。

(二)庭院与广场。

大学校园中的庭院和广场是师生日常生活、学习与活动不可缺少的物质环境,也是构成校园景观的重要因素。建筑物围合的广场和庭院空间,组合校园的空间环境,使其成为有机的统一整体,并组织着相互之间的交通联系。同时,它也是体现人文关怀的重要场所,是师生交流的场所。通过广场平面形态与尺度产生的围合感和亲切感,创造交往氛围。建筑之间的广场与庭院建筑布局都将功能相近的建筑布置在一起,形成建筑集群。建筑之间的广场与庭院空间对于学生来说,它具有明确的空间界定和向心性特性,更易于形成内向的集聚性,有着强烈的归属感,使学生在此驻足停留、学习交流。或休憩、谈话,或讨论、交流,有利于各种信息、知识的相互传递而达到智慧的升华。在环境设计上,应充分保留原有树木等自然植被,结合主体建筑的布局增加台阶、走廊、构筑物和小品以丰富师生的活动场地。

二、校园建筑之间连接空间的设计

对于校园空间整体的设计而言,连接空间的设计显得十分重要,连接空间的连贯和设计的统一创造出内外一致的建筑,消除了内外空间的隔阂,在一定程度上抹去了建筑内外部的界限,给人一种自然有机的整体感觉。

(一)廊道和平台的设计。

1.秩序。

连接作用,进入或穿越不同的建筑打通了室内外空间的界限。利用空间在相互交融中体现出的相容性、模糊性,使校园空间(如室外庭院空间、公共广场)和建筑空间相互渗透,贯穿相应的逻辑秩序使校园空间形成有机的整体。

2.尺度。

廊道既是交通连接体,又是校园学生相遇的场所,除了满足交通通行,也要符合交流场所的尺度。平台设计应具有聚集人群规模的尺寸,为学生、教师等进行交流、活动、聚会、观景、排演等提供理想的场所。

3.开放性。

封闭的廊、通透的廊、露天平台、内庭院底层架空空间等,使其成为一系列的开放交流空间,为学生创造充满阳光、空气、绿化的内部主体生态体系和外部多层次绿化系统,以促进学生的健康素质及思维能力,并通过学生的参与活动来体现学校的凝聚、交流、有活力的学习氛围。

(二)庭院与广场的设计。

1.庭院与广场空间的主体化。

在校园外部空间的设计中,将庭院与广场空间作为主体,根据建筑与空间的图底关系,分析其形态和尺度。庭院空间对于建筑群内的学生来说,有比较明确的空间界定,有着强烈的归属感,更易形成以庭院和广场为中心的交往和共享的区域,以“场所”连接周围的建筑物。

2.设施与小品的细部设计。

利用距离、绿化、高差变化等方式将庭院或广场空间与主要步行人流隔开,形成较完整的区域,庭院与广场设计满足集会、学习、等人、观赏等活动,设计应提供站立和可坐位置,并结合树篱的围合、台阶的高差、树木的遮蔽以及各种景观小品来创造。为师生的活动提供舒适、周到的设施,设施的尺寸和材质以舒适、亲切和适合室外环境为主。

空间整体稳定篇7

关键词：薄壁钢构件,插值函数,整体稳定,缀板,哈密顿对偶体系

薄壁杆件的的强度高, 所制成的构件比较细长、板件比较薄, 同时薄壁杆件的长度远大于杆件断面尺度, 杆件断面的宽度或高度又远大于其壁厚。这类构件容易发生整体失稳或局部失稳, 因此稳定问题是钢结构的突出问题。为了提高薄壁杆件的刚度, 通常在杆件开口处设置横向联系, 如缀板、斜撑、隔板及各种弹性介质等。采用缀板、隔板等横向加强构件的开口薄壁杆件不会像开口截面产生很大的翘曲变形, 也不如闭口截面的抗扭刚度。较原有开口薄壁杆件相比较, 杆件截面的翘曲大大减小的同时抗扭刚度大幅提高, 并且从经济方面考虑, 更加节约成本。

本文以薄壁杆件一致理论为基础, 引入线性插值函数, 建立哈密顿对偶体系, 利用精细积分法进行求解。从而给出一种分析该类薄壁杆件问题的新方法。该方法也可以方便的适用于其他截面形式的开口薄壁钢构件。

1基本假定

本文在对带缀板的开口薄壁钢构件进行整体稳定分析时, 将整个构件分成开口部分和缀板部分。

对开口部分采用的基本假定如下: (1) 符拉索夫的刚周边假定, 即杆件的在受到外力时横截面形状保持不变; (2) σz=Eεz即轴向应力σz远远大于曲线坐标s方向的切向应力, σs与s方向的法向应力σn垂直; (3) 将开口薄壁杆件的横截面划分成有限个条形单元, 采用线性插值函数来模拟构件截面上任意一点的翘曲位移, 并考虑剪力滞后的影响。

根据上述的假定, 薄壁构件的弯扭耦合分析时, 任意点的切向位移ξ可以表示成:

式中, u0为杆件断面形心沿x轴方向的位移;v0为杆件断面形心沿y轴方向的位移;xs、ys为杆件断面中线上任意一点的坐标;h (s) 为断面中心线上任意一点的坐标到扭心的距离。

纵向翘曲位移w (s, z) 的表达式为:

式中, n为节点位移未知量总数;wi (z) 为截面所分条单元交界线处的纵向翘曲位移;ψi (z) 为关于各交界线处纵向翘曲位移的插值函数。上式中, [w]=[w1, w2, …, wn]T, [ψ]=[ψ1, ψ2, …, ψn]T。

将构件横截面分段等距划分出n个节点, 如图1所示。

起始端节点ψ1

中间节点ψi

末端节点ψn:

取单个缀板进行研究, 将缀板对开口薄壁杆件的作用等效为弹性支承。根据广义位移和广义力的解析表达式, 推导出缀板两端在弯扭作用下的相对纵向位移, 从而推导出单个缀板的双力矩和刚度矩阵, 建立薄壁钢构件整体稳定分析的计算模型。

2哈密顿求解体系

将几何方程代入拉格朗日函数中, 可得到用广义位移表达的拉格朗日函数, 拉格朗日函数矩阵形式的表达式为:

式中, q=[u0, v0, , w1 (z) , w2 (z) , …, wn (z) ]T, K11, K21, K22可将应变分量的位移表达式代入 (6) 后计算求得。

由拉格朗日函数导出哈密顿函数:

式中, hq=0, hp=-g, A=-K22-1K21, B=K11-K12K22-1K21, D=K-122。

由哈密顿函数可以导出哈密顿正则方程:

哈密顿方程可写成矩阵形式如下:

系统矩阵H称为哈密顿矩阵。

(3) 单个缀板的刚度矩阵.取单个缀板进行研究, 建立直角坐标系ox1y1z1, z轴为截面形心轴, x轴和y轴为截面主惯性轴。缀板长设为lb, 用K, L表示缀板的两端, 材料的弹性模量与剪切模量分别为E和G, 用缀板轴线上的挠度v1和横截面上的转角θ1两个广义位移表示缀板内任一点沿y1轴和z1轴的位移。用v和θ分别表示缀板轴线的挠度和位移。

令vK=[vKθKQKMK]T, vL=[vLθLQLML]T, 将eHlb代入到vK=eHlbvL中, 得到缀板的广义位移及广义力的解析表达式:

在考虑缀板剪切变形时, 弯扭作用下的相对纵向位移为:

式中, QK为切口K处的剪力;Ap为缀板的截面面积;Iyp为缀板截面的惯性矩。

K处剪力为:

缀板所在截面的广义位移和广义力分别为:u0, v0, , w1 (z) , w2 (z) , …, wn[ (z) ]T, Qx, Qy, m, N1, N2[, …, N]nT, 由

得到缀板的双力矩附加系数为

因此, 单个缀板的刚度矩阵为:

4结论

(1) 本文在对薄壁钢构件进行整体稳定分析时, 对开口部分采用薄壁杆件一致理论;采用线性插值函数来模拟构件截面任意节点上的纵向翘曲位移, 并考虑剪力滞后的影响。

(2) 将缀板对开口杆件的作用等效为弹性支承, 只在存在缀板的部位增加一个弹性支承的刚度。根据缀板的广义位移和广义力解析表达式, 得到单个缀板的刚度矩阵。

(3) 建立构件稳定分析的计算模型, 由总势能表达式导出整稳分析的拉格朗日方程。利用勒让德变化, 引入对偶变量的概念, 导出带缀板的开口薄壁钢构件整体稳定性分析的哈密顿体系。通过区段混合能按照两端边值问题的精细积分法求出不同边界条件下的临界荷载。

参考文献