某空腹球面网壳结构静力特性分析

2015-07-12陈春红

四川水泥 2015年9期

关键词：腹杆网壳球面

陈春红唐婷

(1、贵州民族大学建筑工程学院，贵州贵阳 550025 2、贵州民族大学地质灾害防治工程技术研究中心贵州，贵阳 550025 3、贵州大学明德学院，贵州贵阳 550025)

中图分类号：G322 文献标识码：B 文章编号1007-6344（2015）09-0115-01

某空腹球面网壳结构静力特性分析

陈春红＊1，2唐婷2

中图分类号：G322文献标识码：B文章编号1007-6344（2015）09-0115-01

通过建立球面空腹网壳有限元模型，研究了球面空腹网壳结构在静荷载作用下内力分布规律，提取了该类结构的内力云图，然后总结分析了该类网壳结构内力特征，鉴于该结构的对称性，选取其中一榀具有代表性的空腹拱进行分析总结，对钢架的杆件内力进行对比，对该类结构的上弦杆，下弦杆和腹杆的内力特征对比，对该类结构设计提供理论依据。

空腹球网壳结构；静内力分析；杆件内力特性

0 引言

常规网壳虽具有刚度大，跨越较大空间，造型优美等特点，但也存在一些不足[1～3]：相邻杆件间夹角受限，使结构厚度增大；杆件稠密；用钢量大等。空腹网壳结构能较好的解决上述问题。空腹网壳结构是根据格构式压杆的工作原理，将单层网壳的杆件用格构式压杆替代得到的一种新型网壳结构。总的来说，就是通过改变杆件在空间的布置，使结构兼具空腹和拱两类结构的优点从而改善受力性能，如图1所示。

1 空腹球面网壳的有限元模型及参数选择

1.1 模型设计

按照空间网格结构的一般原则[4～6]，本文选取的球面空腹网壳计算模型跨度L为42m，矢跨比f/L为1/5，网壳厚度h为0.9m。鉴于结构具有多条对称轴，故整体分析后取结构1/4模型进行分析，为便于分析内力特征，分别取具有代表性的横向空腹拱截面I-I，纵向空腹拱由跨中向支座上下弦杆依次编号为1～8号杆件，腹杆依次编号为01～09号杆件（图1）。

图1 球面空腹网壳1/2单元和计算模型（1/4单元杆件编号）

1.2 模型参数

空腹网壳为空间刚接杆系结构，模型杆件均选用空间梁单元Beam4模拟，材料属性弹性模量E=2.06×1011N/m2，泊松比0.3，材料密度7850kg/m3；外荷载恒载取0.5kN/m2，活载取0.5kN/m2，考虑荷载组合“1.2恒+1.4活”，考虑工况：自重+外荷载，转化为上弦杆节点荷载后施加在上弦节点荷载取7.5kN。

2 结构静内力分布特征

图1(1)～(9)列出了球面空腹网壳结构1/4模型的上、下弦杆及腹杆的内力图，选取的空腹拱整理得到静内力见表1。由表1可知，杆件总体轴力较大，与肋杆相比，空腹网壳环向杆和腹杆内力较小，每一节间弯矩均存在反弯点。分别取空腹球面网壳跨中空腹拱上、下弦和腹杆为研究对象，所选单元上的杆件呈现的内力特征分析如下：

一、腹杆内力特征：据图1中(1)～(3)和表1可知，上述腹杆均以承受剪力为主，弯矩值较小，这与空腹网壳结构的内力特性基本一致；由跨中至边缘支座剪力值逐渐增大，腹杆最大值出现在支座附加。腹杆的内力总体偏小，腹杆在支座附加增大的原因在于在支座附近结构剪力较大，腹杆主要传递剪力。因此支座附近的腹杆设计时应引起重视。

图2 空腹球面网壳结构杆件内力图(结构1/4单元)

二、上弦杆静内力特征：据图1中(4)～(6)和表1可知，所选对称单元的上弦杆主要承受压力，在压力总体分布上，肋杆跨中大边缘小；环杆内力相对肋杆内力值较小，跨中下而边缘大，且支座边缘的环杆承受较大拉力；跨中截面上杆件压力最大，整个单元上环向弦杆（整体坐标系下）杆件压力值明显大于拱向杆件；另外，跨中截面两侧环向杆件承受拉力；在剪力分布上，该部分杆件所受剪力值较小（与受压相比），较大的剪力出现在各支座附近；在弯矩分布方面，该部分杆件所受力矩值较小，较大的力矩分布在各支座附近。

表1 空腹球面网壳I-I截面杆件静内力对比

三、下弦杆件静内力特征：据图1中(7)～(9)和表1可知，空腹球面网壳对称单元的大多数下弦拱向杆承受拉力，相比环向杆件，拱向杆件承担了大部分内力，肋杆沿跨中至边缘支座杆件内力逐渐增大，逐渐有受拉杆向压杆过度，相比环杆受力明显较小，最大拉力出现在跨中拱向杆件上，最大压力主要分布最外环肋杆杆件上。下弦最外圈杆件由于与支座连接，相比上弦内力较小。