拉索预应力柱面巨型网格结构稳定性能分析

苗 强

(中冶华天工程技术有限公司，江苏 南京 210000)



拉索预应力柱面巨型网格结构稳定性能分析

苗 强

(中冶华天工程技术有限公司，江苏 南京 210000)

利用ANSYS有限元软件，对两种不同布索方式的预应力柱面巨型网格结构进行了特征值屈曲分析，讨论了主体结构矢跨比等参数对结构稳定承载力的影响，得到了一些可供参考的结论。

巨型网格结构，预应力，特征值屈曲，矢跨比

1 概述

随着经济发展，大跨空间结构不断创新，为突破大内力、整体稳定等因素的限制，巨型网格结构体系应运而生。该体系由两级组成，第一级为大网格结构，称为主体结构，承担整个结构上的载荷并将其传递至支承结构；第二级为普通网格结构，布置于主体结构的大网格中，承受大网格范围内的屋面荷载并将其传递至主体结构。为使柱面巨型网格结构实现更大的跨越能力，将预应力技术引入柱面巨型网格结构形成拉索预应力柱面巨型网格结构。

2 特征值屈曲分析

以140 m跨柱面巨型网格结构为例，主结构矢跨比为1/6，大网格数为8×8，拱向立体桁架高度h1=3.0 m，纵向立体桁架梁高度h2=2.9 m。子结构采用叉筒网壳结构，矢跨比为1/6，子结构采用周边支撑的方式与主体结构连接，主体结构支撑采用桁架拱两端上下弦固定铰支。布索方案采用方案一：参考张弦柱面网壳结构形式，引入预应力索杆结构而形成，下部索采用抛物线，忽略索自重影响；方案二：布索方案二在桁架拱的跨中内侧和两端外侧布置拉索，在拉索与拱之间布置撑杆，杆长约为桁架拱矢高的1/3(见图1)。

结构所选杆件规格如表1所示。

表1 结构几何参数表

2.1 基本性能分析

图2，图3为各结构在协同承载与单独承载时的第一阶屈曲模态。

由图2可知，考虑协同承载时，两种布索结构的屈曲模态相似，均发生局部失稳；由图3可知，考虑主结构单独承载时，整个结构在跨中两侧呈一侧下凹另一侧上凸的失稳形态，由此可知预应力的作用只能有限的提高结构屈曲荷载并不能改变结构的屈曲特征。各结构屈曲荷载见表2。

表2 各结构屈曲荷载 kN/m2

2.2 主体结构矢跨比的影响

取主体结构矢跨比分别为1/4，1/5，1/6，1/8，1/10，对比结构在满跨以及半跨均布荷载作用下的特征值屈曲荷载变化。表3为不同矢跨比下结构特征值屈曲荷载，图4为特征值屈曲荷载随主体结构矢跨比变化曲线。

表3 不同矢跨比下结构的特征值屈曲荷载 kN/m2

由图4可知，满跨荷载下，各结构屈曲荷载均随矢跨比的增大而增大，方案二下结构的屈曲荷载均高于方案一；半跨荷载下，无索结构与方案一均在矢跨比为1/5时达到最大值，而方案二在矢跨比为1/6时达到最大值。综合比较而言，结构在半跨荷载作用下的承载能力低于满跨荷载作用，且矢跨比越大，差值越大，当矢跨比为1/4时，结构在半跨荷载下的屈曲荷载约为满跨荷载下的70%。

2.3 预应力大小的影响

取不同预应力大小对比结构在满跨以及半跨均布荷载作用下的特征值屈曲荷载变化。

表4 不同预应力下结构的特征值屈曲荷载 kN/m2

由表4可知，在满跨荷载作用下，两种布索结构的屈曲荷载均随着预应力的增大而增大，但增幅较小，方案二的承载能力高于方案一；在半跨荷载作用下，方案一的屈曲荷载随着预应力的增大而增大，但方案二由于布索形式的影响，对半跨荷载较为敏感，随着预应力的增大而屈曲荷载变小。

2.4 子结构矢跨比的影响

分别取子结构矢跨比为1/4，1/5，1/6，1/8，1/10，对比结构在满跨及半跨均布荷载作用下的特征值屈曲荷载变化(见表5)。

表5 不同子结构矢跨比下结构的特征值屈曲荷载 kN/m2

分析可知，满跨荷载作用下，三种结构的特征值屈曲荷载均随子结构矢跨比增大而增大，当矢跨比为1/10时，方案一的承载能力高于方案二，当矢跨比大于1/10时，方案二的承载能力高于方案一；在半跨荷载作用下，三种结构的屈曲荷载在矢跨比为1/5时达到最大，矢跨比再增大时其屈曲荷载反而降低，即子结构矢跨比为1/5时为结构最优矢跨比。

2.5 子结构截面面积的影响

分别取不同子结构杆件截面面积对比结构在满跨以及半跨均布荷载作用下的特征值屈曲荷载变化规律(见表6)。

表6 不同子结构截面面积下结构的特征值屈曲荷载 kN/m2

经分析可知，两种布索结构在不同荷载形式下的屈曲荷载均随子结构截面面积的增大而增大，屈曲荷载与子结构截面面积基本呈线性增长关系。因结构均发生子结构处的局部失稳，所以子结构对于结构稳定承载力有很大影响。随着子结构面积增大，结构此区域的刚度也随之变大，其屈曲承载力必然增大。

3 结论及建议

1)预应力结构与无预应力结构的屈曲模态基本相同，预应力的作用提高了结构的特征值屈曲荷载但没有改变结构的屈曲特征。

2)对于特征值屈曲分析，结构均发生子结构处的局部失稳破坏，满跨荷载下结构特征值屈曲荷载随主体结构矢跨比的增大而减小，而随预应力值、子结构截面面积、子结构矢跨比的增大而增大；半跨荷载下其特征值屈曲荷载随预应力值、子结构截面面积的增大而增大，且其特征值屈曲荷载在主体结构与子结构矢跨比为1/5时取得最大值。

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Analysis on the stability preformance of pretensioned cylinderical reticulated mega-structure

Miao Qiang

(MCCHuatianEngineering&TechnologyCorporation,Nanjing210000,China)

The paper adopts the finite element software ANSYS, to undertake the deflection analysis of the feature values of the pretensioned cylindrical reticulated mega-structure with two cable allocation means, discusses the influence of the parameter of the main structure including the rise-span ratio on the structural stable loading capacity, and concludes some references.

reticulate mega-strucutre, pretension, defection of feature value, rise span ratio

1009-6825(2017)06-0058-03

2016-12-17

苗 强(1989- )，男，助理工程师

TU393

A