体育馆网壳

2024-07-24

体育馆网壳（精选8篇）

体育馆网壳篇1

石景山体育馆经过近20年的使用,由于防水层老化,造成了钢筋混凝土边梁上的球节点以及杆件出现锈蚀,又由于设计规范和计算方法的变迁,有必要对此在役网壳结构进行受力分析,进而确定加固方案[1,2]。

1工程概况

石景山体育馆网壳总建筑面积8 459 m2,固定坐席3 000座,该馆采用下沉式结构[3]。屋盖结构平面为正三角形,边长99 m,由三片四边形的双曲抛物面双层钢网壳组成,覆盖面积为4 244 m2,各网壳支承在中央的三叉形格构式刚架和外缘的钢筋混凝土边梁上,如图1所示。

本工程中每个网壳的短边长29.0 m(水平投影26.2 m),长边长46.9 m(水平投影45.4 m),设计中将每边十等分,所形成的网格尺寸比较适中。由于在20世纪80年代时对双曲抛物面网壳的稳定问题研究得还不够,对于这种中等跨度的网壳,不敢贸然设计成单层,网壳的厚度为1.5 m。

2网壳结构静动力性能分析

采用SAP2000有限元软件对此在役双层网壳结构进行静动力性能分析。

2.1建立模型

网壳结构的边缘构件为大截面混凝土边梁和三叉的格构钢架梁,可视为网壳结构的弹性支承,将这种弹性支承和刚性支承下的分析结果进行对比,内力变化最大为1.6%,位移变化为0.4%。说明这两种边缘构件刚度很大,对结构的内力位移影响很小,可以按刚性支承来分析整个结构。

2.2杆件截面

在混凝土边梁处的杆件由于锈蚀截面削弱,需要重新选择截面。经检测该处杆件大约锈蚀厚度为2 mm左右。

2.3设计荷载

恒荷载(包括屋面荷载、网壳自重、设备重)、活荷载、雪荷载及风荷载,并通过计算程序设置地震作用及温度荷载。对以上各种作用进行工况组合。

2.4结构分析

分析结果表明结构存在两个方面的问题:强度不足和刚度不足。

2.4.1 强度不足

图2为静力作用下结构的应力图,部分杆件应力超限,具体位置是支座处腹杆,超限杆件应力比见表1。

2.4.2 刚度不足

图3为地震作用下应力图,无杆件出现应力超限,但部分杆件刚度不足,长细比过大,见表2,即图3中的红色杆件。

3加固方案研究

加固从两个方面进行,一是增大杆件的强度,二是改变杆件的长度。考虑到杆件的刚度是平面外不足,而杆件应力是在静力下超限,因此首先增大杆件的强度,然后再改变杆件的计算长度。

3.1粘碳纤维增大杆件的强度

近年来,由于纤维增强复合材料(FRP)具有优异的物理、力学性能,如强度和刚度高、抗疲劳性能和耐腐蚀性能好、施工方便、施工周期短、不损伤原结构等,已广泛应用于土木工程结构的加固和修复中[4]。

根据功能原理推导出FRP加固轴心受压构件屈曲荷载的计算公式[5]

$\begin{array}{l} Ρ_{c r} = \frac{π^{2} (E Ι)_{r}}{L^{2}} \times \\ \frac{1}{1 + \frac{1}{π} [\frac{(E Ι)_{r}}{E_{S} Ι} - 1] [\frac{π (L - L_{d})}{L} + \sin (\frac{π (L - L_{d})}{L})]} (1) \end{array}$

式中:(EI)r 为加固区域截面的组合抗弯刚度;

$(E Ι)_{r} = E_{Ρ} \frac{π [(D_{d} + 2 t_{p})^{4} - D_{d}^{4}]}{64} + E_{S} \frac{π [D_{d}^{4} - d^{4}]}{64} (2)$

Ld为钢构件中粘贴FRP区域的长度;Dd为损伤区域的外径;d为钢管的内径;EP为FRP沿钢构件轴线方向的弹性模量;ES为钢构件的弹性模量;tp为FRP的厚度。

利用以上公式分析FRP长度及厚度对构件承载能力的影响,并绘制对比图4。

由此图可以看出增加FRP的粘贴长度能够有效增大构件的刚度,提高屈曲荷载;而增加FRP的厚度对提高屈曲荷载并不明显。因此可以对这些杆件实施如下加固方法:FRP的厚度为2 mm,粘贴长度为2 m,从中部开始两边各1 m。表3-1列出了加固杆件的实际内力和加固后的承载力。

3.2增设附加杆件增大杆件的刚度

对于上下弦杆各有一个支撑点的构件,在上弦杆件所在平面内对上弦杆件加支撑,在下弦杆件所在平面内对下弦杆件加支撑。如图5(a)所示.采取就近原则,在节点1和节点2之间、节点3和节点4之间加支撑杆件。支撑杆件一端与原有球节点焊接,另一端与待加固弦杆相贯。

对于上弦杆有3个支撑点,对下弦杆有1个支撑点,加固原则同图5(a)一样,加固后图形如图5(b)。加固后,长细比满足要求。

加固完成后对结构进行校核分析,采用SAP2000有限元软件重新计算,包括各种工况下的静力分析及动力分析。分析结果为:杆件的最大应力:193.5 MPa<215 MPa;节点的最大位移:28.65 mm<52 417 mm/400=131.04 mm。杆件的应力和节点的位移均在允许范围以内,所以加固后该结构是安全的。

4结束语

对在役网壳结构进行受力性能分析后,引进了新型加固方法——粘贴FRP加固轴心受压构件,并分析了影响加固效果的两个因素——FRP厚度及长度。但并没有具体考虑各种缺陷的影响,而国内外对FRP加固钢结构的研究和应用则相对较少,因此研究FRP在钢构件的拉压、损伤、疲劳等方面的加固原理和具体加固措施成为加固钢结构的关键。

参考文献

[1]完海鹰,郭裴.CFRP加固钢结构的现状与展望.安徽建筑工业学院学报,2006;14(6):63—64

[2]清华大学土木工程系.CECS77:96.1996.《钢结构加固技术规范》.北京:1996:6—22

[3]沈世钊,顾年生.亚运会石景山体育馆组合双曲抛物面网壳屋盖结构.建筑结构学报,1990;11(1):21—29

[4]王静娟,陈占峰.结构构件常用加固方法的优略.河南建材,2006;(3):62—62

[5]吕烈武,沈世钊,沈祖炎,等.钢结构构件稳定理论.北京:中国建筑工业出版社,1993

体育馆网壳篇2

【关键词】网架；网壳；安装

目前，虽然钢结构在我国的发展起步相对较晚，但是尤为钢结构的材质轻、刚度大、方便操作、抗震性能好、环境污染小等特点，在我国取得了迅猛的发展，近年来，随着我国社会经济的不断发展，建筑行业也得到了长足的发展，钢结构也被广泛应用在了建筑工程中，并且它在很大程度上带动了我国钢结构产业的发展。过去，由于我国钢材相对较少，因此国家一直推行“节约钢材”，如今，由于我国钢结构产业发生了巨大的转变，已由以前的观念转变为“合理用钢”的政策，这在一定程度上促进了我国建筑工程产品结构的调整。

1.钢结构网架与网壳概述

随着社会的发展以及建筑行业的进步，被用于建筑工程的结构非常多，其中钢结构的网架与网壳是工程中被广泛应用的一种结构形式。它主要是根据钢杆件在工程中的分布规律，然后将节点相互连接而组成的一种空间结构，而网架就是钢杆件之中呈平板状的网格外形结构，网壳就是呈曲面状的网格外形结构。

1.1网架特点

网架结构通常是将钢杆件上的各个节点紧密连接起来，它具有刚度大、稳定性好、便于操作、安装容易等特点，通常我们将网架结构按照钢杆件的层数来划分可以分为两种类型，即：双层网架结构和多层网架结构。根据实践表明，网架结构具有的特点有几点：（1）由于它的刚度大、稳定性好，因此可以运用在大跨度的建筑当中。（2）材料好找、成本低。由于网架结构能够作用于整个建筑，而且不会因为局部结构的不足和问题而影响整体结构，属于一种经济型材料。（3）由于钢网架结构稳定性好，所以它比其它结构要安全可靠。（4）在建筑施工中，它的安装相对比较简单、方便。

网壳是呈曲面状的网格外形结构的，由于它具有科学合理的结构形态，因此它能够承载来自外界的力量。通常情况下，在一些大跨度建筑工程中，与网架结构相比，网壳结构可以节省更多的钢材，并且其造型美观，并且变化多样，所以在建筑工程中得到了非常迅猛的发展。按照网壳构件的层数来分，可以分为两种结构，即：单层网壳结构和双层网壳结构；按照外形的结构可以分为柱面网壳、球面网壳、双曲面网壳、圆锥面网壳、扭曲面网壳、单块牛网可、双区剖面网壳、切割或组合曲面网壳等八类。

1.2网壳结构的特点有

网架与网壳结构不同，它是一种呈曲面状的一种外形结构。它具有的特点：（1）网壳能够富于表现，变化多样，造型比网架结构美观很多。（2）它和网架结构有相同的一点就是刚度与跨度都很大；在现场安装制作过程中，与网架一样都非常简单、方便，在安装时不需要大型的机器设备来实行。另外，网壳的钢杆件一般比较单一，受力相对比较均匀。

连接钢网架与网壳结构和支撑结构的点也就是制作网架与网壳的节点，其主要是柱顶、梁柱等下部分起到支撑作用的节点，即支座节点，它是整个钢结构的重要组成部分。根据钢结构的受力情况来分，它可以分为三种情况：平板支座、弧形支座、板式橡胶支座。

2.网架与网壳制作

2.1准备工作

网架与网壳的准备工作即是对材料的准备，它是拼装网架与网壳的基础工作。其工作主要分为三个步骤：（1）要根据实际情况设计网架结构的图纸，并根据图纸编制各个零件的加工图以及安装零件所需的数量。（2）一定要熟悉拼装零件的工艺流程，根据流程进行合理的拼装。（1）对钢材的规格、质量进行严格把关，每一个零件都需要进行检查。

2.2零部件加工

2.2.1焊接空心球节点

焊接空心球节点的零部件有杆件和空心球。

①杆件。其加工工艺流程为：钢管下料→坡口加工。杆件下料后应检查是否弯曲，若有弯曲应加以校正。钢管应用切割机或管子车床下料，下料后长度应放余量，杆件下料后应开坡口，焊接球杆件壁厚在5mm以下可不开坡口。

②空心球。焊接空心球节点四我国采用最早也是目前应用较广的一种节点。它是由两个半球对焊而成，分为有肋和无肋两种，适用于连接圆钢管杆件。

2.2.2螺栓球节点

螺栓球节点是在设有螺纹孔的刚球体上通过高强螺栓将汇交于节点处的焊有锥头或封板的圆钢管杆件连接起来的节点，是国内常用的节点形式之一。

3.网架与网壳拼装

3.1网架拼装

网架在拼装时通常都是在施工现场完成的。首先，在进行拼装之前一定要注意网架与网壳拼装的零件是否完整，是否符合标准。在网架的拼装过程中可以根据不同的拼装方法来进行拼装，通常有分条拼装、分块拼装、整体拼装等方法。在拼装过程中一定要注意拼装的场地平整，并得到质量的保证。

3.1.1焊接空心球网架拼装

对于焊接空心球网架，在拼装时，应正确选择拼装次序，以减少焊接变形和焊接应力。根据国内多数工程经验，拼装焊接顺序应从中间向两边或四周发展，最好是由中间向两边发展。因为网架在向前拼装时，两端及前边均可自由收缩，而且，在焊完一条节间后，可检查一次尺寸和几何形状，以便由焊工在下一条件定位焊时给予调整。

3.1.2螺栓球节点网架拼装

螺栓球节点网架拼装时，一般也是先拼下弦，将下弦的标高和轴线调整后，全部拧紧螺栓，起定位作用。开始连接腹杆，螺栓不宜拧紧，但必须使其与下弦连接端的螺栓吃上劲。连接上弦时，开始不能拧。当分条拼装时，安装好三行以上弦球后，即可将前两行调整校正，这是可通过调整下弦的垫块高低进行；然后，固定第一排锥体的两端制作，同时将第一排锥体的螺栓拧紧。

3.2网壳拼装

网壳应在专门的拼装模架上进行小拼，以保证小拼单元的形状及尺寸的准确性。网壳拼装的关键问题之一是各节点坐标的控制。应使用精度较高的定位测距仪器，如经纬仪、激光测距仪、水准仪等。网壳拼装顺序应根据网壳的类型、连接形式等选择合理的拼装顺序。对于采用焊接连接的网壳，宜从中间向两端或四周发展，以减小焊接变形和焊接应力。双层柱面网壳安装顺序为：先安装两个下弦球及系杆，拼接成一个简单的曲面结构体系，并及时调整求节点的空间位置，再进行上弦球和腹杆的安装。安装宜从两边制作想中间对称进行。

4.结束语

近年来，随着我国社会的发展，高层建筑、大跨度建筑不断兴起，网架与网壳结构作为一种稳定性较强的钢结构，不断应用在建筑工程当中。目前，钢结构不断采用新材料、新技术等予以改进，越来越能够满足建筑工程的需求，钢结构在建筑工程中的运用也越来越广泛。

【参考文献】

[1]罗德昌，梅庭玉.空间结构的发展现状与展望[J].南昌高专学报，2006（06）.

网壳结构的发展和应用篇3

网壳结构是一种在荷载作用下具有三维受力性质并呈空间工作的空间结构，是解决大跨度建筑结构最典型的一种结构类型。网壳结构是曲面形的网格结构，兼有杆系结构和薄壳结构的固有特性，与平面结构相比，具有很多独特的优点，比如覆盖跨度大、整体刚度好、结构受力合理、抗震性能好、造价低等，因此在国内外得到广泛的应用。特别是近40年来，网壳结构得到了空前的重视和发展，主要原因是：(1)网壳结构在施工时，采用的是在工厂中预制好的构件，而且重量轻，安装方便。(2)建筑构件的工业化为网壳结构的发展注入了强大的生命力，特别是随着多种节点体系和不断提高的自动化生产方法的出现，既提高了生产效率，降低成本，又使得安装精度得到了保证。(3)随着电子计算技术的不断发展，广泛应用于杆系结构的有限单元法和网壳结构的成型技术等，更促进了网壳结构的应用和发展。(4)随着现代经济建设和科技文化事业的不断进步，人们对建筑形式的要求越来越多样化，从而推动了这种大跨度、大空间结构的迅速发展。

2 网壳结构在国外发展历程

早在20世纪初，德国工程师威德勒就发明了一种肋环斜杆型的网壳，这种以他的名字命名的网状穹顶仍然是当今球面网壳的一种主要形式。近二、三十年来，网壳结构在日本、美国、加拿大、德国等得到了迅速的发展，他们在建筑形体、结构跨度、加工精度、安装方法、网壳的开启技术等方面有独到之处。如日本的福冈穹顶(图1-1)是当今世界上最大的可开合结构，该体育场整个圆形建筑的直径为222m。屋盖由3片网壳组成，最下一片固定，中间及上面两片可沿着导轨移动，因此开合方式为回转重叠式，全部开启可呈125度的扇形开口，各片网壳均为自承式。为避免在开合过程中振幅过大在顶部引起装饰材料互相碰撞，在屋顶中心还设置了液压阻尼器减震，值得一提的是这么大的工程仅仅用了两年多的时间建成，由此可看出施工队伍的综合施工水平是非常高的。1989年建成的加拿大多伦多“天空穹顶”体育场(图1-2)，一度是世界上跨度最大的开合结构，其屋顶直径为205m，覆盖面积32374m2，为平行移动和回转重叠式的空间开合钢网壳结构。还有美国新奥尔良超级穹顶体育馆、瑞典斯德哥尔摩地球体育馆等都是在国际上代表着高水平的网壳结构工程。

3 网壳结构在我国的运用

网壳结构在我国解放初期曾有所应用，当时主要是一类方型的网状筒壳，材料为型钢或木材，跨度在30m左右，如扬州苏北农学院体育馆、南京展览中心(551厂)、上海长宁电影院屋盖结构等。作为有影响的我国第一幢大跨度网壳结构是天津人民体育馆屋盖，采用带拉杆的联方型圆柱面网壳，平面尺寸为52m×68m，矢高为8.7m，用钢指标为45kg/m2，该网壳1956年建成，1973年因失火而重建。图1-2多伦多“天空穹顶”体育馆

近二十年来，网壳结构在国的发展较为迅速，到目前为止，据不完全统计，我国已建成各类网壳工程100多幢。如天津体育中心比赛馆，该馆是为承办1995年第43届世乒赛而兴建的(图1-3)，体育馆的直径为108m，四周悬挑13.5m，整个球壳的直径为135m，矢高为35m，网壳厚度为3m，结构耗钢量为42kg/m2。上海国际会展中心采用的是一个直径为50m，球中心标高为26.5m的单层环肋形球面网壳结构。1989年建成的北京奥林匹克体育中心体育馆，平面尺寸为70m×83.2m，采用人字形截面双层圆柱面斜拉网壳，为目前国内跨度最大的筒状网壳结构。同年建成的濮阳中原化肥尿素散装库，平面尺寸为58m×135m×2m，采用双层正放四角锥圆柱，为国内覆盖建筑面积最大的网壳结构，也是第一个采用螺栓球节点的网状筒壳。长春体育馆采用了肋环形网壳的形式，该网壳长向径向跨度为191.682m，短向径向跨度为146m，落地矢高为40.67m，拱架矢跨比为1:3.58，拱架厚度为2.8m，厚度与跨度比为1:52，径向拱架间距为3.4～11m，环向间距为6～9m。拱脚内水平投影面积为20540m2，网壳采用双向斜交径向拱架，沿长轴的屋脊处，设屋脊拱架，以便与径向拱架连接。杆件采用大截面方钢管，腹杆与弦杆连接结点直接焊接，安装采用高强螺栓依法兰连接。此工程是方钢管用于国内跨度最大的网壳，且大截面方钢管及直接焊接点形式在国内的首次应用。

4 网壳结构的发展趋势设想

折叠网壳结构的初步设计评述篇4

折叠网壳结构是一种新型的空间网壳结构, 具有两种稳定状态:完全折叠状态和完全展开状态。完全折叠时, 折叠结构一般呈捆状, 体积较小, 便于储存和运输;需要时, 折叠结构可以展开到工作状态。在展开 (折叠) 过程中, 折叠结构为可变体系, 是机构;在完全展开状态, 折叠结构是几何不变体系, 可以承受荷载。结构在使用时可在现场迅速、方便地展开成型, 缩短了建造时间。因此在抢险救灾、物流仓储、临时营房等领域有着广阔的应用前景。1960年富勒提出勒折叠网架这种新型的结构形式, 同一时期西班牙建筑师E.P.Pinero成功地把折叠结构的概念应用于跨度为90 m的“可移动剧院”设计中。

为在野外能快速形成稳定的建筑空间, 同时可以重复使用而提出折叠网壳结构的设计, 折叠结构的初步设计包含结构的几何设计、结构选型、节点选择等。

1 折叠网壳的几何设计

折叠网壳结构的几何设计是结构设计的基础, 其主要内容是保证结构能够自由、方便、快速的折叠和伸展, 保证在两种工作状态下均有良好的力学性能。折叠结构的单元类型有剪式单元、可伸直杆单元、被动索单元、主动索单元、折板单元等。这些单元相互组合或与机构单元组合, 也可生成新折叠单元。如剪式单元可以与膜组合成新的工作单元, 与折叠板组合成新的工作单元;张力集成体系和折叠结构的概念结合形成一些新的可展单元类型, 使结构既具有张力集成体系的自支撑、自平衡等特性, 又具有折叠结构的特性。

可展结构单元中, 应用较成熟的是剪式单元 (见图1) , 由剪式单元和索可组成各种形式的二维及三维的结构单元。由剪式单元构成的可展结构其展开过程简洁, 并且可展效率高。

折叠网壳结构的几何设计要保证结构具有可展的性能需满足三个要求:表面的节点需位于几何曲面上, 可以使上下表面其中之一满足该要求;直梁的三个点需要共线;相邻剪式铰之间要满足可展的要求。折叠网壳结构三维单元满足协调条件为:

其中, a, b均是折叠单元厚度方向上的杆长度;c是折叠单元腹杆长度;α1是折叠单元厚度方向上杆之间的夹角;α2是折叠单元腹杆之间的夹角。

折叠网壳结构几何设计时, 首先确定一个方向的几何参数, 然后从内到外逐步设计。所以一般几何设计可遵循以下几个步骤[1]:1) 在几何表面划分网格, 初步确定网格的大小;2) 确定设计部分的未知坐标数;3) 确定设计部分的约束方程数;4) 检验是否满足可展的几何要求;5) 求解非线型方程。

由于要求折叠结构质量轻、截面尺寸小和跨度较大, 宜选用双层网格, 折叠单元为二维剪式铰来提高结构的稳定性。二维剪式铰结构可以采用两向网格或三向网格。圆柱型选用两向网格较合适, 而球壳选用三向网格合适。

2 折叠网壳的结构选型

对折叠网壳结构, 结构选型依据折叠结构获得几何稳定性可以分为外加锁式折叠网壳结构和几何自稳定式折叠网壳结构[2]。

2.1 外加锁式折叠网壳

外加锁式折叠网壳结构在结构展开过程中, 整体上是机构体系, 从收纳到展开的整个过程结构处于无应力状态。展开后外加锁约束, 使其变成静定或超静定的稳定结构。在大型的折叠结构中更加体现它的优势:1) 跨度变化灵活、机动, 如图2a) , 图2b) 所示结构的跨度可以随意改变, 只需要改变附加锁的长度。2) 施工方便, 由于折叠骨架在工厂制造好后, 在现场只需要加附加锁就可以应用。3) 可重复使用。

对于三维剪式单元组成的外加锁, 当网壳展开后需要添加一些支撑。如图2c) 所示, 在网壳展开以后, 添加3支撑, 在节点之间设置固定拉索1, 2, 机构变为结构。该类结构由于是在展开到预定跨度时, 在结构端部附加锁或其他约束而形成的结构, 可实现大跨度。

某研究所根据自锁式折叠网架结构的基本原理改进了剪式单元[3]。在单元两侧都增设钢丝绳, 使其成为稳定的受力构件, 发挥软索的抗拉性能, 避免因杆件中心钻孔造成的应力集中, 有效增加结构的整体刚度。

2.2 几何自稳定式折叠网壳

自锁剪铰式折叠结构本身可以实现展开形态后的自平衡。由剪铰以一定方式连接组成锁铰, 锁铰中每个杆件只有在展开状态和折叠状态时才与结构的几何状态相适应, 杆件应力为零。而在展开过程中其杆件弯曲变形储存外荷能量, 最后反方向释放掉 (见图3) 。状态1为展开的初始阶段, 状态2为杆件内应力较大阶段, 状态3为结构完全展开阶段[4]。

锁铰折叠单元可以构造出多种空间折叠网壳结构, 如图4所示为用四边锁铰构成的球面折叠网壳和柱面折叠网壳。自稳定式折叠网壳设计关键是控制杆件折展过程的应力变化。应力过小, 结构的特性不突出, 而不实用;应力太大, 折展过程中杆件屈服破坏。自稳定折叠网壳结构展开方便、迅速, 但其杆件承受外荷载能力低, 只适合于建造小跨度的结构。

3 折叠网壳节点选型

折叠网壳结构由于要考虑展开和收纳的过程, 使得节点的构造、性能和使用应具有如下的特点:1) 保证连接杆件的自由转动, 折展过程中没有较大的弯矩。2) 结构收纳状态下保证折叠结构呈严密的捆状, 以便保存。3) 具有可靠的传力性能, 能够有效的传递杆件传来的拉、压、剪荷载。4) 保证结构的稳定性和几何不变性。在折叠结构工程实践中, 产生了大量的节点形式。

目前应用的有毂节点、螺栓球节点、螺栓圆柱节点。毂节点属于非偏心节点, 便于储存, 与杆件方便连接。不足是节点构造复杂, 成本高。螺栓球节点及螺栓圆柱节点均属于偏心节点。因其偏心作用使得结构在承受竖向荷载时产生附加弯矩, 在伸出球或圆柱的螺杆产生剪应力。另外球壁厚而增加了节点重量。焊接钢板节点主要适用于弦杆呈两向布置的各类网架。

4 结语

本文基于折叠网壳的不同使用功能要求, 系统综述折叠网壳的各种结构形式、基本单元及节点种类, 全面评述折叠网壳结构初步设计中几何设计、结构选型、节点设计的步骤、设计的具体方法, 各个设计过程中的控制因素, 并总结各种形式的节点或结构形式以及单元形式的优缺点及适用范围。建议对应于不同的结构功能要求而进行折叠结构初步设计, 为折叠网壳结构的设计提供技术参考及理论基础。

参考文献

[1]陈向阳, 关富玲, 陈务军, 等.复杂剪式铰结构的几何分析和设计[J].空间结构, 1998, 4 (1) :45-51.

[2]刘锡良.现代空间结构[M].天津:天津大学出版社, 2003.

[3]向华.折叠式网壳帐篷结构的足尺试验研究[D].西安:长安大学硕士学位论文, 2004.

[4]张毅刚.大跨空间结构[M].北京:机械工业出版社, 2005.

单层网壳极限承载力分析篇5

关键词：单层球面网壳,极限承载力,几何非线性,线性屈曲,材料非线性

球面网壳结构以其优美的结构造型和合理的受力特点而受到广大工程师的青睐。然而,由于网壳结构厚度较薄,跨度大,几何非线性高,而且荷载随机,材料性能变异和老化等,故网壳结构的倒塌事故常有发生。

作为结构体系,极限承载力更真实地反映结构的承载性能,是结构的失效模式分析和安全评估的基础[1,2]。根据可能的破坏形态,网壳结构的极限承载力的分析可大致分为两大类。一类是以结构的材料破坏为特征,即结构的破坏是由于多处杆件的塑性屈服使结构达到最大容许应力场而导致整体破坏,此时结构极限承载力分析涉及结构的弹塑性全过程分析[4]。另一类是以结构的几何破坏为特征,该类破坏主要涉及结构的稳定及几何大变形[3]。

本文基于大型通用有限元软件ANSYS的线性屈曲分析、几何非线性分析及材料非线性与几何非线性耦合分析技术对单层网壳结构进行极限承载力分析[5,6]。

1 网壳极限分析方法简介

1.1 几何非线性法(方法1)

在稳定平衡状态,考虑到轴向力或中面内力对弯曲变形的影响,根据势能驻值原理得到结构的几何非线性分析的平衡方程:

式(1)中:[Ke]表示结构的弹性刚度矩阵;[Kg]表示结构的几何刚度矩阵;{u}表示节点位移向量;{f}示节点荷载向量。

该几何非线性平衡方程一般采用增量平衡方程迭代求解:

式(2)中,{Δu}表示节点位移增量向量;{ΔF}表示节点力增量向量。

1.2 线性屈曲法(方法2)

对于随遇平衡状态,应使系统势能的二阶变分为零,即:

由式(3)可得:

在线弹性稳定阶段,{F0}对于任意的一组外荷载,其对应几何刚度矩阵[K0g],假定屈曲荷载为λ{F0},故有[Kg],因此式(4)可化为:

将式(5)写成特征值方程:

式(6)中,λi表示第i阶特征值,[Φi}表示与λi对应的特征向量,是相应该阶屈曲荷载时结构的变形形状,即失稳模态。

1.3 几何非线性和材料非线性耦合法(方法3)

考虑几何非线性和材料非线性的网壳有限元方程:

该方程是双层非线性方程,一般可采用增量平衡方程迭代求解:

式(7)中:[Kep]为结构弹塑性刚度矩阵。

2 网壳极限承载力分析

2.1 网壳结构简介

某大跨度球面网壳结构,其结构有限元模型如图1所示。球面半径:20 m,跨度:34.621 m,矢跨比:0.289。网壳结构的所有杆件均采用100 mm×5 mm的Q345钢管,周边铰支。荷载工况为满跨均布荷载2.0 kN/m2。将均布荷载等效为节点荷载。

2.2 网壳结构参数及模型分析

该网壳结构采用3节点二次梁单元BEAM189,该单元基于Timoshenko梁单元理论,能很好地考虑结构大变形及大应变等几何非线性。材料本构关系为理想弹塑性模型,服从VonMises屈服准则,其屈服应力310 MPa,弹性模量210 GPa,泊松比0.3。

2.3 极限承载力分析

分别采用几何非线性、线性屈曲及几何非线性和材料非线性耦合分析方法对该空间网壳结构进行极限承载力分析,分析结果见表1。

由表1可见,几何非线性方法求得的结果与1阶屈曲荷载较为接近,而几何非线性和材料非线性耦合分析方法求得的解较小,仅为几何非线性解的54.39%,线性屈曲解的48.11%。这说明材料非线性对该网壳结构的极限承载力具有较大的影响。

在全跨满布均布荷载作用下,网壳结构的最高点位移-荷载曲线如图2所示。可见,线性屈曲法和几何非线性法分析的最大节点位移较为接近,约1.02 m,而几何非线性和材料非线性耦合分析方法求得的最大节点位移仅为0.087 m,且其极限载荷明显降低,说明该网壳结构的材料非线性对结构受力性能有较大影响。

同时研究表明,在该结构中,由于网壳结构中央多处杆件出现塑性屈服而导致结构的破坏。其失效模式如图3所示。

2.4 材料及截面对极限承载力的影响分析

当结构模型不变,采用几何非线性和材料非线性耦合分析不同结构材料(Q235、Q345、Q390、Q420)下结构极限承载力。分析结果见表2。

由表2可见,材料对结构的极限承载力有很大的影响,随着结构材料强度的提高,结构的极限承载力越大,因此在经济合理情况下选择高强度钢材可有效提高结构的承载力。

保持结构模型不变,采用几何非线性和材料非线性耦合分析不同钢管直径、相同钢管壁厚下结构的极限承载力。分析结果见表3。

由表3可见,钢管直径对网壳结构的极限承载力有较大的影响,随着钢管直径的增大,其极限承载力基本呈线性增大。

3 结论

基于ANSYS大型通用有限元软件分别采用几何非线性、线性屈曲、几何非线性和材料非线性耦合分析方法对网壳结构进行极限承载力分析。分析结果表明,几何非线性法和现行屈曲法均会过高地估计结构的极限承载力,因此,要准确评估单层网壳结构的极限承载力必须考虑材料的非线性特性。

同时研究表明,网壳结构材料模型及钢管截面对结构的极限承载力均有较大影响,因此在网壳结构设计中应合理选择结构材料的钢管类型,以保证结构具有较高的极限承载力。

参考文献

[1]沈世钊,陈昕.网壳结构稳定性[M].北京:科学出版社,1999.

[2]钱若军,杨联萍,等.空间格构结构设计[M].北京:东南大学出版社,2007.

[3]关富玲,高博青,等.单层网壳的稳定性分析[J].工程力学, 1996(3).

[4]卢成江,曹正罡,等.施威德勒穹顶弹塑性稳定性能研究[J].重庆建筑大学学报,2007(1):52-55.

[5]刘涛,杨凤鹏.精通ANSYS[M].北京:清华大学出版社,2002.

联方型单层球面网壳的地震响应篇6

网壳结构是由多种杆件按照某种规律连接起来的空间结构,杆件之间通过节点连接,结构呈三维状态,在荷载作用下具有三维空间受力特性的结构。

目前国内外单层球面网壳使用越来越广泛,例如,北京工业大学羽毛球和艺术体操的比赛馆屋盖就为张弦式双层球面网壳钢结构,热身馆屋盖也为双层球面网壳结构;上海科技城的中庭由单层球面网壳和通透玻璃组成;日本关西国际机场弧形钢屋盖的大厅一侧的翼部结构采用单层球面网壳等等。

相对于单层球面网壳来说,双层球面钢网壳体系具有较好的整体刚度和较高的稳定性,对缺陷的影响并不敏感,因而有一定优势。但由于双层球面钢网壳杆件稠密或者杆件截面太大,导致结构自重较大,造成了边环梁中相当大的拉力,且施工复杂、用钢指标及工程造价较高,并且支承结构、地基基础处理费用增加,技术难度增大,难以满足现代社会所追求的安全、经济、美观的需求。美国新奥尔良超级穹顶是目前国际上跨度最大的双层网壳结构,平面直径207 m,网壳厚2.2 m,用钢指标达126 kg/m2。单层球面网壳在用钢量和造价上,要比双层球面网壳低得多。但单层球面网壳对缺陷较为敏感,整体稳定性不好。因此,若能弄清单层球面网壳的结构动力失稳机理,网壳稳定性全过程分析研究等问题,会对今后的工程实践有着重要的理论和应用价值。

今年初,钢材的价格比去年近翻了一番,国内钢材资源相当紧缺。如何来做到用最少的材料,建造具有相近功能的结构,这无疑成了结构师们的一大难题。现在就单层球面网壳来说,研究最多的是施威德勒型网壳,且已经取得了不少成果。但在相同跨度和环数,选用同等材料,建造具有相同矢跨比的联方型单层球面网壳,其用钢量比施威德勒型网壳要少。因此对联方型网壳进行地震力稳定性分析,计算其所能抵抗的最大地震加速度峰值,来分析这种网壳是否具有更好的工程实践,继而得到有价值的结论,为今后的工程实践提供依据。

文中以40 m跨度联方型单层球面网壳为研究对象(见图1),研究了以位移准则为动力稳定性判别方法,网壳结构地震作用下的动力响应。

1 动力稳定性的判别方法

结构动力稳定性判别方法[1]定义为:对某一结构,根据其各节点的质量与荷载分布,预先估计出相应的等效动力荷载分布形式,然后各节点按此荷载分布形式,以比例加载的形式进行静力稳定性分析,确定出相应的稳定性临界位移,以此近似估计出该结构产生动力失稳时的临界位移,在动力荷载作用下,当该结构的节点位移测定值进入临界位移范围时,即认为该结构进入了动力稳定的临界状态。

对于联方型单层球面网壳结构动力稳定性判别的具体分析方法是:地震力作用时,网壳结构的动力荷载分布在整个球面网壳的所有节点上。按照此种荷载分布方式,在所有网壳节点上加静力荷载,各个节点上的静力值按照网壳受全跨均匀布设面荷载,将面荷载折算成节点荷载施加。以比例加载的形式施加面荷载,当网壳结构最大位移节点时程曲线图出现屈曲点,则此时认为该结构静力失稳。得到静力失稳的最大节点位移值,以该位移值作为动荷载作用下的临界位移,当在动力荷载作用下,结构最大位移超越该临界值时,认为网壳结构进入动力稳定临界状态。

2 结构参数和静力稳定临界位移

文中选用的结构模型为跨度分别为40 m的联方型单层球壳,杆件长度在3 m左右。矢跨比(F/L)采用工程中常用的1/3,1/4,1/5和1/6;根据网壳矢跨比不同,环向和斜向杆件截面分别取不同的值[2](见表1),其中环向杆件取大截面,斜向杆件取小截面。支座三向固定;均布质量为2.0 kN/m2,集中作用于节点上;采用通用有限元分析软件ANSYS进行地震荷载下的数值计算,杆件采用空间梁单元(Beam188单元),计算分析中考虑梁单元的大变形、大转角;材料假定为弹性;考虑网壳初始静载,荷载采用加速度的方式施加;考虑阻尼的作用时则假定为Rayleigh阻尼,此时阻尼比取为0.02;材料为Q235钢。

对于跨度为40 m的联方型网壳受逐步加载的静力作用,使网壳结构达到静力失稳,取失稳时位移最大节点的时程曲线拐点处所对应的位移为静力稳定临界位移[3]。

3 三向地震作用下联方型网壳的动力响应

单层球面钢网壳结构的杆件和节点少,发展趋势是跨度越来越大,厚度越来越薄。而单层球壳壳面内具有较大的刚度,壳面外的刚度较弱。在强震区,需对单层球面网壳结构考虑动力稳定问题。

文中的研究对象——联方型单层球面网壳结构,它的动力失稳特点与其他单层球壳有所不同,如K8网壳结构动力失稳前整体刚度很好,变形很小,而失稳后,网壳的受力形状遭到破坏而迅速垮塌,类似典型的“脆性”破坏[5,6]。联方型球面网壳最大节点位移超过临界位移后,继续施加荷载,网壳节点位移变化会加快,但不会出现位移迅速变大,继而使整个结构发生倒塌。

下面对跨度为40 m,矢跨比分别为1/3,1/4,1/5和1/6的联方型单层球面网壳,在El-centro三向地震波作用下,分析其动力响应。

3.1 矢跨比取1/3时联方型球壳在XYZ向地震作用下的响应

矢跨比为1/3的联方型单层球壳在三向地震作用下,在300 gal之前,模型节点最大位移与地震峰值几乎成线性关系,当继续加大峰值,节点位移增大加快,在地震峰值为370 gal时,最大节点位移达到临界值0.47 m,此后,继续加大峰值,节点位移不会突然增大,但增大速度加快。联方型单层球壳在XYZ向地震作用下的响应(L=40 m,F/L=1/3)见表2,不同峰值地震作用下结构最大变形图(放大10倍)见图2。

3.2 矢跨比取1/4时联方型球壳在XYZ向地震作用下的响应

矢跨比为1/4的联方型单层球壳,在达到临界地震峰值之前,节点位移和地震峰值之间成线性增长,当峰值达到240 gal时,网壳最大节点位移达到临界值0.42 m。在此之后,继续增加峰值,节点位移增长较快,但没有出现突然增加位移的现象。联方型单层球壳在XYZ向地震作用下的响应(L=40 m,F/L=1/4)见表3,不同峰值地震作用下结构最大变形图(放大10倍)见图3。

3.3 矢跨比取1/5时联方型球壳在XYZ向地震作用下的响应

矢跨比为1/5的联方型单层球壳,在达到临界峰值前后,和矢跨比为1/3,1/4的情况一样。联方型单层球壳在XYZ向地震作用下的响应(L=40 m,F/L=1/5)见表4,不同峰值地震作用下结构最大变形图(放大10倍)见图4。由图4可知:矢跨比为1/5的联方型单层球壳在三向地震作用下临界峰值可取为315 gal。该模型随着矢高的减小,临界峰值反而增大。这是由于该模型所选用的杆件截面比其他模型要大得多,使网壳的整体刚度比上述模型大,从而出现了该模型的临界峰值比1/4矢跨比模型的临界峰值大。不同的模型之间,矢跨比越大,临界峰值不一定越小。

3.4 矢跨比取1/6时联方型球壳在XYZ向地震作用下的响应

联方型单层球壳在XYZ向地震作用下的响应(L=40 m,F/L=1/6)见表5,不同峰值地震作用下结构最大变形图(放大10倍)见图5。由图5可知:矢跨比为1/6的联方型单层球壳在三向地震作用下临界荷载可取为535 gal。该模型与矢跨比为1/5的联方型单层球壳一样,所选用的杆件截面较大,从而使网壳的整体刚度较大,临界地震峰值也较大。

4 结语

文中对单层球面网壳结构的动力稳定性能进行了较为系统的研究,得出了如下结论:

1)本文选用的动力稳定性判别方法——位移准则,不仅能确定网壳结构的动力稳定性临界荷载,而且对研究其他类型网壳动力稳定性问题,具有借鉴意义。2)一般来说,矢跨比越大,单层网壳结构动力稳定性临界荷载越大,但各模型受所选用杆件的影响,矢跨比越小,其动力稳定临界荷载不一定越小。3)通过增大杆件截面,可加大网壳结构的刚度,继而提高抵抗地震力的承载能力,即提高动力稳定性临界荷载。

参考文献

[1]李忠学,沈祖炎,邓长根.杆系钢结构非线性动力稳定性识别与判定准则[J].同济大学学报,2000,28(2):148-151.

[2]沈世钊,陈昕,林有军.单层球面网壳稳定性验算公式[J].哈尔滨建筑大学学报,1997,23(1):151-157.

[3]沈世钊,陈昕.网壳结构稳定性[M].北京:科学出版社,1999.

[4]杨忠.网壳结构的抗震措施[J].山西建筑,2007,33(6):93-94.

[5]陈应波,陈军明,吴代华.单层球面网壳结构地震响应的动力时程分析[J].空间结构,2002(2):15-21.

体育馆网壳篇7

1 基本理论

“穹顶结构之父”——德国工程师施威德勒在薄壳穹顶的基础上提出一种构造形式,即把穹顶壳面划分为径向的肋和纬向的水平环线,且在每个梯形网格内再用斜杆分成两个或四个三角形,使内力分布变得更加均匀,结构自重大大减小,跨度也大大增加,这就是空间网壳结构。按照层数可以划分为单层网壳和双层网壳。网壳结构的特点有:计算原理成熟,计算方法简便;结构的轻型化特征使得网壳结构可以跨越更大的空间;网壳结构的制作具有标准化、规格化;网壳结构具有优美的建筑造型。

正是由于网壳结构的上述优点,使得网壳结构在工程中的运用越来越广。刚开始,网壳多为半球形,后来的构造形式越来越丰富。现在大致可以分为:肋环型和施威德勒球面网壳、联方型球面网壳、凯威特型球面网壳、短程线性网壳、二向格子型球面网壳、三向格子型球面网壳、柱面网壳和双曲抛物面型网壳等。

2 计算方法[1]

网壳的计算方法大致分为基于连续化拟壳理论的拟壳法和基于杆系有限元分析理论的离散结构法。拟壳法的基本假设是用等效的均质连续体来代替由杆件组成的实际结构体系。该方法可以近似地计算出杆件的内力、节点的位移和结构的稳定性,适合于中小跨度的网壳计算。杆系结构有限元法可以精确地计算出网壳结构的内力和挠度。通过编制计算机程序可以绘制弯矩、剪力和变形图,甚至进行自动设计、选出杆件截面和节点规格。

早期通过线性方法来估算网壳结构的稳定临界力,计算结果与结构的实际受力情况差别较大。对于正高斯曲率的单层球面网壳,结构刚度随着载荷的增加而减小,具有很高的几何非线性。线性分析方法无法描述结构的荷载—位移全过程工作性能,更加无法描述结构屈曲后性能,而网壳结构的稳定承载能力正是由其屈曲后性能所决定的。

随着计算机的发展,非线性有限元分析方法逐渐成为网壳结构稳定性分析的主要工具。首先,屈曲前的结构非线性有限元分析一般采用牛顿载荷增量法,该方法通过线性逼近和反复迭代使计算收敛于平衡路径,但由于临界点附近结构刚度矩阵接近奇异,迭代不易收敛,因此无法描绘屈曲后的荷载—位移曲线。其次,屈曲后的载荷反应分析利用了Batoz等提出的用位移增量来控制载荷步长的方法,即位移增量法。此方法能顺利地通过极值点,但计算中控制位移必须一直增加,一旦出现减小,则迭代不收敛。对于网壳这样复杂的结构,要选择好结构的控制位移比较困难,所以此方法有一定的局限性。另外Wempner等提出的弧长法是将荷载与未知位移同时作为变量,引入一个包括载荷系数的约束方程,用曲线的弧长来控制载荷的步长。这种方法对于处理屈曲后的载荷反应分析比较有效。

3 数值分析

3.1 数值分析基本理论

屈曲分析是一种用于确定结构开始变得不稳定时的临界荷载和屈曲模态形状的技术。ANSYS的屈曲分析有两种:特征值屈曲分析和非线性屈曲分析[2]。

目前,对于极值点失稳型的结构,非线性稳定分析技术可以基本解决。通常可以使用由Crisfields提出的柱面弧长法对结构的载荷—位移曲线进行全过程跟踪。ANSYS程序可以实现此功能。但对于分支点失稳型的结构,必须在基本平衡径上找到分支点,实现由不稳定的基本平衡路径到稳定的平衡路径的转换。由于ANSYS无法判断结构的分支点及分支平衡径的转换,只能继续跟踪已不平衡的基本平衡路径,得到一个极值点临界荷载。

3.1.1 特征值屈曲分析

特征值屈曲分析的特点是计算速度快,在进行非线性屈曲分析之前可以利用其先了解屈曲形状,预测屈曲载荷的上限。

ANSYS线性屈曲分析特征值公式为:

([K]+λ[S]{ψ})=0。

其中,[K]为刚度矩阵;[S]为应力刚度矩阵;{ψ}为位移特征矢量;λ为特征值。特征值表示给定荷载的比例因子,如果给定载荷是单位载荷,则特征值表示屈曲荷载。特征值矢量是屈曲形状。一般只对第一个特征值和特征矢量感兴趣。需要注意的是:1)在特征值屈曲分析中,所有非线性的性质都将被忽略。2)只需施加一个单位荷载,乘以由屈曲分析得到的特征值,即可得到屈曲荷载。3)ANSYS允许的最大特征值是1 000 000。

3.1.2 非线性屈曲分析

非线性屈曲分析最为重要的是用一个好的载荷增量使载荷达到预期的临界屈曲载荷,打开自动时间步长能有助于控制载荷的增量,此时程序自动寻找屈曲载荷。特征屈曲载荷是预期的屈曲载荷上限,可以作为非线性屈曲分析的给定载荷,在渐进加载达到此载荷前,非线性求解应该是发散的;特征矢量屈曲形状可以作为施加初始缺陷和扰动荷载的数据。采用弧长法进行计算,一般施加比预期的屈曲载荷(如特征屈曲载荷)高出10%～20%的给定荷载。一般采取两个荷载步:第一步打开自动步长,使用一般的非线性屈曲过程,直到接近临界载荷;第二步使用弧长法使分析通过临界载荷。一般不指定TIME值。使用较低的平衡迭代数(10～15)。有些弧长法需要施加初始几何缺陷。

需要注意的是:如果结构上的荷载完全在平面内,将不会产生导致屈曲所必须的面外变形。在大变形分析中,力和位移将保持其初始方向,表面载荷将随结构几何形状的变化而变化。在实际工程设计中,应将一个稳态分析进行到结构的临界载荷点,以计算出结构产生非线性屈曲的安全系数。对于大多数实体单元不必使用应力刚化功能。

3.2 模型的计算与分析

某单层网壳屋顶结构,其俯视平面形状为圆形,底平面的直径为48 m,矢高为4.8 m。材料为钢管,弹性模量E=2.1e11,v=0.3,剪切模量G=8e10。截面几何:空心钢管,杆内径Ri=0.09 m,外径R0=0.092 5 m。根据结构受力性能,运用Beam188单元来模拟钢管,需要注意的是此单元必须给定节点方向。

第一步:进入ANSYS前处理器,按照给定的条件建模,最后的模型及约束如图1所示。

对除了约束以外的节点施加单位载荷,进行特征值屈曲分析,模态提取数设为3,模态扩展数也设为3,实施求解。得到3阶屈曲荷载如表1所示。

由于前面施加的载荷为单位载荷,所以取第一阶模态的比例因子作为模型的屈曲临界载荷,即60 901。可以得到各阶的屈曲模态,如图2～图4所示。

第二步:进行非线性屈曲模态分析。

在ANSYS中选择大变形分析选项,对壳顶145号节点施加一个力,产生初始扰动以后便可以进行弧长法计算。选择Active arc-length method项,设定子步数Number of substeps为10,进行非线性求解。

根据模型,选择网壳中具有代表性的节点:145号,133号,109号节点为分析对象。进行非线性屈曲结果后处理。分别定义145号,133号,109号节点Z向位移为变量,将时间变量乘以屈曲载荷60 901后保存,并分别将3个节点位移变量乘以-1后保存,然后再利用结果输出命令输出数据结果。利用Origin数据处理绘图软件处理导出的数据。选取前50个数据,得到3个节点位移—荷载曲线,如图5所示。由位移—荷载曲线图可以看出,极限载荷为93 637.8 N,3个节点对应的最大位移分别为:0.189 625 m,0.326 645 m,0.416 716 m,此时结构发生屈曲。

4 结语

1)稳定性问题已经成为网壳结构分析计算的重要部分。随着跨度越来越大,网壳的变形也越来越大。因此,对网壳结构的非线性大变形计算显得十分重要。

2)网壳屈曲计算分析中,特征值屈曲和非线性屈曲即弧长法相结合是解决非线性屈曲问题的有效方法,可以通过此法跟踪结构屈曲全过程,并得到屈曲荷载。

3)在用数值模拟分析过程中由于数值的不稳定,可能会出现不收敛的情况,可以通过细化模型的方法来修正。

4)在大变形分析中,力(或位移)将保持其初始方向,但表面荷载将“跟随”结构改变形状,因此,需要确认所施加的荷载类型是正确的。

5)运用弧长法计算可以得到一个精确的屈曲荷载,但需要不断修正弧长半径,以人工干预程序来执行一系列重求解。

参考文献

[1]沈世钊,陈昕.网壳结构稳定性[M].北京:科学出版社,1998.

[2]王呼佳,陈洪军.ANSYS工程分析进阶实例[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

空腹网壳简介及单元受力性能分析篇8

在网壳结构的迅速发展和应用过程中,其表现出以下几点不足之处:1)结构总厚度较大。由于受到腹杆与弦杆夹角的限制,导致网壳的总厚度远大于按强度和刚度控制所需要的厚度;2)在结构当中有相当一部分构件存在强度过剩的问题;3)室内的杆件较多,视觉效果不好。针对这些不足之处,提出了空腹网壳这一新型的结构形式。

1 空腹网壳结构简介

1.1 空腹网壳的提出与发展现状

空腹网壳的提出源于空腹网架结构,其创新之处在于将空腹网架的力学概念拓展到曲面形空间结构中。空腹网架结构的弦杆位于一个平面的拓扑结构上,受力性能并不是最佳,根据空间结构的基本原理,将网架结构的平面变为受力更为合理的曲面,便形成了空腹网壳结构[1]。空腹网壳结构可视为在壳结构的基础上加入空腹的概念,也可视为在空腹结构的基础上加入壳的概念,总的说来就是通过改变杆件在空间的布置,改善结构的受力性能。

空腹网壳结构是一种较为新型的空间结构,是在普通双层网壳的基础上,删除其所有的斜腹杆,增加连接上下弦的竖腹杆所形成的一种新型空间结构。同时也可理解为:根据格构式压杆的工程原理,将单层网壳的压杆用格构式压杆代替得到的一种新型网壳结构。该结构构造简单、简洁通透、美观性强,在各种大、中跨度的结构中具有广阔的应用前景。

对于这种结构的研究,国内外尚不多见,只有空腹网架和空腹桁架的研究资料可以参考。目前而言,空腹网壳的工程应用实例也比较稀少,例如国内刚建成的中国国家大剧院以及日本的秋田“天空穹顶”多功能体育馆。

1.2 空腹网壳结构的分类

空腹网壳结构根据网壳结构的形式可以分为以下几种:柱面空腹网壳、球面空腹网壳、双曲面空腹网壳和椭球面空腹网壳等。一般说来,单层网壳结构通过杆件替代都可变成空腹网壳结构,在这个思想指导下,还可以创造出各种各样的空腹网壳结构。

1.3 空腹网壳结构及其单元模型

图1是某正交空腹网壳结构模型,由这个模型可以看出,空腹网壳是由若干榀空腹拱组成,两两正交的空腹拱互相支撑,有效的防止了拱的侧向失稳。

2 空腹拱受力性能分析[2]

空腹网壳是由若干榀空腹拱组成,本文对基本受力单元空腹拱进行静力分析,对比平面实腹拱的受力性能,初步了解了空腹拱的受力性能,为进一步分析空腹网壳结构做好准备(见图2)。

2.1 单榀平面拱的静力分析

如图2所示的空腹拱模型,本文假设跨度为120 m,沿弧向分成20等分,腹杆高度为2 m,每个下弦节点施加10 kN的集中力,两端固支,空腹拱模型截面尺寸为500×10,计算所得结构内力如图3所示。

2.2 空腹拱的受力特点

平面空腹拱内力最大值见表1,由表1中数值和内力分布图可以看出:空腹拱的受力特性从总体上表现出“拱”的以拱肋受轴力为主的特点,其受力特征与实腹拱有相似的地方。空腹拱上下弦杆的轴力大致相当,在跨中上弦杆和支座下弦杆轴力大,表现出“梁”的特点。

3 结语