铝合金单层柱面网壳结构稳定性能研究

2021-04-10张凤起

山西建筑 2021年8期

张凤起齐麟

(中国民航大学机场学院，天津 300300)

0 引言

近年来，在国内铝合金材料成功应用于网壳结构的工程案例日益增多，如上海国际体操中心、重庆渝北空港体育馆、长沙招商服务中心、天津平津纪念馆、武汉体育学院综合体育馆等[1]。铝合金网壳结构的整体稳定性能研究成为了热点。

相比于国外，我国对铝合金材料性能及铝合金网壳结构的整体稳定性能的研究仍处于起步阶段。王亚昌等推导了考虑几何和材料双重非线性影响的空间梁单元切线刚度矩阵,并使用自编程序进行了网壳稳定承载力的理论计算,提出应对铝合金单层网壳选择合适的节点形式并进行非线性稳定验算[2]。郭小农等对铝合金板式节点的承载力进行理论分析，提出了节点板块状拉剪破坏的承载力计算公式及铝板式节点的实用构造要求[3]。曾银枝和HIYAMA等分别对铝合金板式节点网壳和铝合金螺栓球节点网壳进行了试验研究，并取得了一定的成果，得出铝合金网壳结构在进行力学分析时,其力学模型与钢网壳一样,均可以非线性空间梁单元作为计算单元，为铝合金网壳在我国的推广使用提供分析和设计依据[4,5]。本文主要研究矢跨比、结构网格密度、边界支承条件和初始缺陷对单层铝合金柱面网壳结构整体稳定性的影响,为铝合金单层柱面网壳结构的设计提供分析和设计的依据。

1 结构模型

结构模型采用三向网格单层柱面网壳，铝合金材料采用通用的6061-T6牌号，其弹性模量E=70 000 MPa，剪切模量G=27 000 MPa。设计强度f=200 MPa，名义屈服强度f0.2=160 MPa，泊松比为0.3。杆件截面为H型，节点连接方式为板式节点连接。荷载主要考虑恒荷载和活荷载，恒荷载考虑为面荷载0.2 kN/m2，节点自重考虑20%，活荷载考虑为面荷载0.5 kN/m2，方向均为重力方向。

影响铝合金单层柱面网壳结构整体稳定承载性能的因素有很多，包括矢跨比、结构网格密度、边界支承条件和初始缺陷等。通过MIDAS软件对各影响参数的改变，对结构进行非线性分析得出各种参数影响下的荷载—位移曲线。

2 矢跨比对稳定性的影响

分析矢跨比对铝合金柱面网壳整体稳定承载性能的影响，算例中网壳跨度选取30 m和45 m，长度分别为66 m，90 m，杆件截面尺寸分别为H300×200×10×12和H400×300×12×15，两种不同跨度网壳结构分别考虑1/5，1/6,1/7,1/8,1/9和1/10等6种矢跨比情况。由图1，图2可知，随着矢跨比的减小，柱面网壳稳定承载力而降低;当矢跨比为1/5时，柱面网壳整体稳定承载力达到最大值，30 m跨度其荷载系数为6.65，45 m跨度其荷载系数为4.99。

3 网格密度对稳定性的影响

算例中铝合金柱面网壳结构参数为：跨度取30 m，长度为66 m，杆件截面尺寸为H300×200×10×12，矢跨比为1/5。网格密度分别考虑纵向分割间距为2 m,3 m,4 m进行模拟计算。

图3为网格密度纵向分割间距为2 m,3 m,4 m的柱面网壳结构荷载—位移曲线，荷载系数分别为8.31,6.65,10.9。以网格密度3 m为例，可见适当的改变网格密度，也可以提高稳定安全荷载系数。

4 支承条件对稳定性的影响

图4，图5给出了边界支承条件为刚接对铝合金柱面网壳结构极限承载力的影响。算例中网壳结构边界条件均为刚接，跨度选取30 m和45 m，长度分别为66 m，90 m，杆件截面尺寸分别为 H300×200×10×12和H400×300×12×15，两种不同跨度网壳结构分别考虑1/5，1/6，1/7，1/8，1/9和1/10等6种矢跨比情况。

为得出边界支承条件对网壳极限承载力影响，将边界条件刚接与铰接结构模型参数相同的铝合金柱面网壳结构的荷载系数进行汇总对比，其中铰接边界条件结构荷载位移曲线见图1，图2，对比结果如表1,表2所示。

表1 30 m跨度边界条件刚接与铰接网壳结构荷载系数对比表

表2 45 m跨度边界条件刚接与铰接网壳结构荷载系数对比表

考虑边界条件刚接后，两纵边支承的铝合金柱面网壳整体稳定承载力提高了1.25倍～1.38倍。且随着矢跨比的增大，边界条件对网壳稳定承载力的影响越明显。

5 初始缺陷对稳定性的影响

考虑初始缺陷对网壳结构整体稳定性的影响，算例中跨度选取30 m和45 m，长度分别为66 m，90 m，杆件截面尺寸分别为H300×200×10×12和H400×300×12×15，矢跨比均为1/5的两种结构，初始缺陷分别考虑跨度的1/1 000，1/500，1/300，1/200，1/100和无初始缺陷6种分别进行模拟计算。荷载系数见表3，考虑初始缺陷荷载—位移曲线见图6，图7。

表3 荷载系数汇总表

由图6，图7可知，对于无初始缺陷网壳，跨度30 m柱面网壳结构其稳定承载力系数为6.65;当考虑跨度的1/1 000～1/100初始缺陷后，网壳稳定承载力系数为3.27～2.69,降低了50.8%～59.5%。对于无初始缺陷网壳，跨度45 m柱面网壳结构其稳定承载力系数为4.99;当考虑跨度的1/1 000～1/100初始缺陷后，网壳稳定承载力系数为2.44～2.01,降低了51.1%～59.7%。通过以上图表可以得出，随着初始缺陷的增大，荷载系数随着降低，这表明柱面网壳对初始缺陷比较敏感。