大跨单层铝合金网壳整体稳定性分析

罗 焱 雷金虎

(四川省建筑工程质量检测中心，四川 成都 610081)



大跨单层铝合金网壳整体稳定性分析

罗 焱 雷金虎

(四川省建筑工程质量检测中心，四川 成都 610081)

以中国现代五项赛事中心游泳击剑馆为依托，通过弹性及非线性屈曲分析，探讨了大跨单层铝合金网壳在四种工况下的稳定性，得到了一些有价值的结论，为同类结构设计提供了理论依据。

单层网壳，铝合金，屈曲模态，稳定性

0 引言

作为空间结构中最具代表性的类型之一，网壳结构同传统的平面结构相比，具有结构构造新颖、受力更合理、重量更轻盈、造价更低、计算相对方便、应用广泛等特点[1]，是建筑艺术和结构力学完美融合的成功创新。尤其在公共设施的空间需求越来越高的现代城市建设中，逐渐成为集功能性和观赏性为一体的不可或缺的建筑风格[2]。

网壳结构可以采用各种壳体结构的曲面形式，在外观上可以与薄壳结构一样具有丰富的造型，无论是建筑平面、外形和形状都能给设计师以充分的创作自由。薄壳结构与网格结构不能实现的形态，网壳结构几乎都可以实现。既能表现静态美，又能通过平面和立面的切割以及网格、支撑与杆件的变化表现动态美[3]，通过使结构动静对比、明暗对比、虚实对比，把建筑美与结构美有机地结合起来，使建筑更易于与环境相协调。

本文以中国现代五项赛事中心游泳击剑馆为工程背景(建筑面积约24 400 m2，结构最高点高度34.7 m，下部主体结构采用钢筋混凝土框架，屋盖采用铝合金(6061-T6)单层网壳结构)为计算分析对象对其稳定性进行分析。以期为此类结构的设计计算提供借鉴和参考，具有重要的工程实践意义[4,5]。

1 工程概况

中国现代五项赛事中心游泳击剑馆的屋盖采用铝合金材料单层网壳，其平面俯视形状近似于三角形，最大边长约125.0 m，屋盖结构被支撑在下部的钢筋混凝土环梁之上。网壳网格为平面正三角形三向相交网格在圆球面上投影而成，网格边长约为2.80 m，三角形网格高度不大于2.40 m。支座范围内最大跨度约为90 m(有限元模型中，矢高约为8.50 m，矢跨比为1/10)。铝合金构件仅采用以下两种截面形式：用于跨中及悬挑部分的构件采用工字形截面450 mm×200 mm×8 mm×10 mm，主要用于支座附近受力较大的构件采用箱形截面450 mm×200 mm×8 mm×10 mm。与支座连接构件材料为钢结构构件，其截面形式为箱形截面440 mm×200 mm×10 mm×10 mm。

2 弹性屈曲分析

弹性特征值屈曲分析虽然不能准确反映结构的稳定性，但有助于对结构整体稳定性的理解。其中，特征值屈曲分析得到的屈曲模态被作为初始几何缺陷分布形态，作为非线性稳定分析的初值[6]。弹性特征值屈曲分析可以评估荷载布置对结构稳定性的影响。因此在进行结构整体非线性稳定分析前，进行线弹性特征值屈曲分析是十分必要的[7]。

2.1 荷载工况

计算中考虑以下四种工况对结构整体稳定性进行分析：工况一：恒荷载+满跨活荷载；工况二：恒荷载+半跨活荷载；工况三：恒荷载+半跨活荷载；工况四：恒荷载+半跨活荷载。

2.2 分析结果

工况一,屈曲模态1发生的位置是网壳的中部，也就是均布荷载的中部，其一阶屈曲模态K=11.37，其余屈曲模态有向周边扩散的趋势；工况二，屈曲模态1发生屈曲的位置是网壳的布载的中部，其一阶屈曲模态K=11.00，屈曲模态2，3有向周边扩散的趋势；工况三、工况四也是屈曲模态1时屈曲发生在均布荷载的中部，随着模态的增加，屈曲位置像均布荷载的四周。从各个工况的模态来看，其屈曲位置都是最先出现在荷载布置的中间位置，之后往两边扩散。从屈曲模态图来看，该网壳结构对荷载的布置形态并不敏感，屈曲位置对应荷载的形态有规律可循。

由于以上四种工况其均布荷载的大小并没有改变，只是荷载布置的位置不同，因此直接比较荷载因子即可。四种工况的荷载因子具体值并不大，都在11左右，其变化趋势都是随着屈曲模态的增加而增加，且从屈曲模态1～3并没有太大的变化。这说明该网壳结构对荷载的布置方式并不敏感。

3 非线性屈曲分析

线性分析把结构的强度问题和稳定性问题分开考虑，对屈曲的判断有一定的整体把握，要想更加准确的了解结构整体的抗屈曲能力，就得从非线性的角度入手，结合结构的强度和稳定性来考虑[8]，毕竟实际工程中的强度和稳定是有很强关联性的。材料非线性和几何非线性结合的屈曲分析可以提取节点的荷载—位移曲线[7]，通过这个曲线可以比较好的了解结构的稳定性和强度的变化历程。

3.1 初始缺陷

采用一致缺陷模态法，利用最低阶屈曲模态来模拟结构的初始缺陷分布，取其中第一阶弹性屈曲模态作为结构初始缺陷的形状[8]。采用通用有限元软件ANSYS对以上四种工况进行考虑几何及材料双非线性屈曲分析。铝合金和钢材均选用常见的理想弹塑性模型，屈服强度分别取规范规定设计值，最大初始缺陷根据《网壳结构技术规程》选取最大跨度的1/300，为90/300=0.3 m。

3.2 非线性屈曲分析结果

选取迭代完毕后位移最大的节点来绘制全过程曲线作为整个结构的代表。

从四个工况的荷载位移曲线对比可以看出，形状都相似且都具有很强的规律性，其第一个临界点位移都在0.3 m之后则随着荷载的增加结构位移增加的速度有所增大，不再按线性增加，增加速度明显增大，直到位移达到0.6 m，这时结构达到临界状态，结构能承受的荷载缓慢的下降。这样的结果对应着四类不同的布荷载方式，结果表明无论何种荷载布置其最不利点的荷载位移曲线形态大致相同，且临界状态的位移相同，这表明该大跨度网壳对荷载的布置方式并不敏感。同时曲线的下降段的切线斜率并不陡，这也意味着该网壳结构的失稳类型是极值点失稳，且这样的设计安排使得该结构有着较强的抗失稳能力。从荷载因子比较来看，根据《空间网格结构技术规程》报批稿考虑几何材料双非线性，结构屈曲极限荷载特征值K>2，各种工况下计算结果均满足规范要求。

4 结语

通过计算分析得出以下结论：

1)该网壳结构稳定性对荷载的布载方式并不敏感。

2)该网壳结构的非线性失稳类型是极值点失稳，抗失稳能力较强。

3)考虑材料和几何双非线性时，结构屈曲极限荷载特征值K均大于2，由此可以看出在外荷载作用下满足规范要求。

[1] 秦 琪.某双层椭球面网壳屋盖结构的地震响应及稳定分析[D].太原：太原理工大学，2012.

[2] Yamada M.,Chiyama K.U.Theoretical and experimental study on the buckling of jointed single layer latticed spherical shells under external pressure[D].Proceeding of the IASS Symposium on Membrane Structures and Space Frames,1986：113-120.

[3] 沈士钊.网壳结构的稳定性[J].土木工程学报,1999,32(6):26-27.

[4] 赖海斌，尹凌峰.荷载不对称分布对网壳稳定性的影响[J].江苏建筑，2010(6):42-43.

[5] Victor G.Buckling of reticulated shells:State-of-the-art[J].International Journal for Space Structures,1995,10(1):1-46.

[6] 李 华.大跨度单层椭圆面网壳结构静、动力性能研究[D].上海：同济大学,2005.

[7] Desai C.S.,Abel J.F.有限元素法引论[M].江伯南,尹泽勇，译.北京:科学出版社,1978.

[8] Sharifi P.,Popov E.P.Nonlinear buckling analysis of sandwich arches[J].Journal of Structural Engineering,ASCE,1971,97(2):1397-1412.

On integrated stability analysis of large-span single-layer aluminum alloy shell

Luo Yan Lei Jinhu

(SichuanArchitecturalEngineeringQualityInspectionCenter,Chengdu610081,China)

Based on the swimming and fencing hall of China’s Modern Pentathion Event Center, the paper explores the stability of the large-span single-layer aluminum alloy shell under four construction circumstances according to the elastic and non-linear bending analysis, and achieves some valuable conclusions, so as to provide some theoretic reference for similar structural design.

single-layer shell, aluminum alloy, bending modulus, stability

1009-6825(2016)13-0051-02

2016-02-28

罗 焱(1982- )，男，硕士，工程师

TU311

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