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【计算机仿真】悬挑屋盖风荷载仿真分析
2.1结构选型

悬挑屋盖风荷载仿真分析
依据本届结构设计大赛的竞赛规章，对设计制作要求、加载制度及评审规章等进

行了仔细分析，可以得到在考虑结构质量与结构位移所占分值比例不同的基础上

1模型设计及制作要求
(质量占得分的50%，位移占25%)，应尽可能减小结构质量，并在掌握结构位移增

第四届全国结构设计竞赛的题目是“体育场悬挑屋盖结构”，需要制作的部分为
加不大的状况下，采纳桁架结构体系形式。结构由两榀桁架组成，每榀桁架都采纳

挑棚结构，包括支承骨架和围护结构两部分(图1)。要求使用长度为1250mm，截面
三角形几何不变体系以提高结构的承载力、刚度及稳定性。考虑竞赛对结构的加载

规格为2mm×2mm、2mm×4mm、2mm×6mm、4mm×6mm、1mm×55mm的桐木条和502胶
方式以竖向静载为主，且在水平风荷载作用下结构满意强度及整体稳定性要求的状

水，制作支承骨架;围护结构采纳120g布纹纸，自行裁剪粘贴，要求围护材料在外
况下，依靠杆件自身截面强度即可供应抗力，这样可削减支撑数量从而减轻结构质

观上必需全部掩盖挑篷上部及背部区域。制作完成后，使用连接螺栓将挑棚结构固
量。同时为了维持桁架自身的稳定性，设置了为维持结构稳定的竖向和斜向支撑。

定在看台上。采纳在悬挑屋盖上加竖向静载和风荷载的方式测试模型的刚度和承载
另外，试验与计算分析结果均说明，风荷载对结构的影响没有静载显著，综合考虑

力。以模型在1.88kg竖向静荷载作用下和9m/s风速作用下、悬挑端部竖向位移的
到竞赛要求、工程的实际状况以及所供应材料的特点，在围护结构下部设置了分布

加权平均值和模型自重综合评估模型优劣。并且要求模型在12m/s风速作用下，模
匀称、规章的檩条，使结构能够满意使用的要求。依据以上原则建立模型，如图2

型不能发生破坏，充分考核了模型在正常使用条件下的刚度水平和极限承载力条件
所示。

下的结构合理性。
2.2结构特点

2设计方案构思

2.2.1节点处理著，在模型制作的过程中，应把木材的顺纹沿木材的受力方向布置，故对木材可定

结构中所遇到的不易于连接的结点均采纳刻槽或增加结点板的处理方式，这样既义其弹性模量为10000MPa、泊松比为0.3，对布纹纸仅定义其厚度为0.3mm。对于

易于连接又提高了结构的美观性。蒙纸和杆件使用502胶水粘结部分将其建为共同体，以保证其施加风荷载时良好传

2.2.2斜向支撑采纳胶粘处理力。同时，对各杆件的轴力，轴应力以及变形位移都做了计算，以此作为设计模型

合理布置斜向支撑，并对斜撑两两相交处做胶粘处理以减小其计算长度，不仅能的理论基础，从而指导模型的实际制作。为了能对模型进行简化以进行有限元分析，

有效传递和安排结构传来的荷载，并且能较好限制结构位移，增添结构的空间整体结合模型的特点，详细假定:(1)因柱脚不能平移，但允许有肯定的转动，故支座视

性。为铰接;(2)各杆件连接处，采纳502胶水进行粘结，牢靠度不能保证，应视为铰接;(3)

2.2.3桁架结构体系简明通过模型的实际制作过程，风荷载对模型的影响远不如静荷载大，故在软件计算中

采纳桁架结构体系，结构布置简明，荷载传递路径清楚，各杆件受力合理，以承全部的风荷载均等效为作用在面上的面荷载进行计算;(4)假定气流为不行压缩的

受轴向力为主，次弯矩的影响很小，充分利用了木材的力学性能。匀称定常流。

3结构的分析验算3.2竖向荷载下结构静力分析

3.1计算假定依据赛题要求，在距结构前端50mm处，施加一条重量为1.88kg左右、长600mm

在模型的理论分析中，采纳ANSYS软件进行计算，选用BEAM188单元和SHELL63的钢棒。在有限元分析软件中，可简化为在两榀桁架上各施加9.4N大小的竖向集

单元对结构杆件和屋面蒙纸进行模拟;木材的顺纹和逆纹性能差异很大，各向异性显中荷载，计算得到结构的内力图和位移图分别如图3和图4所示。经过ANSYS有限

元计算，静载作用下结构各杆件的应力远小于材料的承载力量;同时根据理论指导实部分风荷载w2=0.0408(kN/m2);当风速为v=12m/s，w0=v2/1600=0.090(kN/m2);悬

践的原则，在有限元软件分析计算中应力较大的部位采纳尺寸较大的杆件，保证了挑结构部分风压w1=0.0325(kN/m2)，封闭维护结构部分风压w2=0.072(kN/m2)。

结构的强度和刚度。通过如图3和图4的分析计算结果，可以看出此模型能够满意3.3.1结构在9m/s风荷载作用下内力及变形分析

竞赛对模型强度和刚度的要求。在理论结果满意竞赛条件的前提下，进行模型的制经过有限元软件计算，9m/s风荷载作用