網架在吊裝過程中的連續倒塌分析

張華健

(河北大學工商學院，河北保定071002)

隨著建筑業的蓬勃發展，空間網架向著更高，更大跨度的方向發展，在空間結構中占有重要位置[1]。然而，因為邊界條件和幾何形狀的不同，成型后的網架喪失其設計功能，嚴重時，整個網架倒塌，造成財產的損失和人員傷亡[2]。所以進行空間網架結構在吊裝過程中的連續性倒塌分析是非常必要的。本文通過有限元模型的分析，為網架在吊裝中的倒塌問題提出了合理的措施。

1 網架吊裝有限元模型的建立

本文采用LINK160桿單元建立四角錐體系網架模型，采用LINK167索單元建立吊索模型。網架為正放四角錐結構，跨度為47.14m×49.92m，一個網格的尺寸為3.84m×3.367m，上弦桿的斜率是0.14。材料采用Q235鋼，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7 800kg/m3，共有1456個單元，392個節點。材料模型選用隨動塑性模型，與應變率有關，不考慮溫度的影響。網架模型如下圖1、圖2所示。

2 網架結構吊裝過程抗連續倒塌分析

2.1 靜力分析

靜力分析是對結構的線彈性分析，在提升力與重力平衡狀態下，將吊點作為整個網架的約束點，分析網架提升過程中，網架內部應力與變形的分布。由分析結果可知吊點合理，可進一步驗算。

圖1 網架平面

圖2 網架側面

2.2 模態分析

模態分析用于確定結構的振型和自振頻率，其分析結果用于確定結構關鍵構件的位置。對網架結構進行了模態分析，提取了結構前14階振型。其自振頻率和周期如表1所示。

表1 網架結構前14階自振頻率與周期

2.3 關鍵構件的選取

本文關鍵構件的選取過程如下：完整結構特征值屈曲分析—完整結構的極限承載力分析—拆除某—桿件后的極限承載力分析—計算此桿件靈敏度—取靈敏度值大的桿件作為關鍵構件。

2.3.1 完整結構特征屈曲分析

特征值屈曲分析是用于計算結構在線彈性階段的屈曲值，由于在實際結構中只考慮線彈性階段結果不符合工程需要，其結果過于保守，所以特征值屈曲分析的結果在本文中用于判斷結構的非線性極限承載力的上限。

2.3.2 非線性極限承載力分析

通過ANSYS軟件的靜力分析和模態分析，將結構受力大、位移大的部位作為關鍵構件選取的區域，然后根據結構的對稱性，選取代表性的桿件，通過非線性分析得到結構整體的極限承載力和剩余結構的極限承載力

2.3.3 不同桿件的靈敏度

由以上分析可知，整體結構的極限承載力為2 257kN。根據靈敏度計算公式：

結合剩余結構的非線性極限承載力的分析，求出各桿對整體結構的靈敏度，如表2所示。

表2 不同單元非線性極限承載力 kN

靈敏度越高，說明桿件的失效容易引起整個結構的連續倒塌，桿件對結構越重要。由表可知，桿件745的靈敏度明顯大于其他桿件，應該著重考慮此桿件的加強防護，防止其失效引起的連續倒塌；桿件202、742、1067等雖然所承載的軸力大或位移大，但是其靈敏度卻很低，引起連續倒塌的概率相對較小，故在設計時重點應放在其強度和穩定性上。

3 網架吊裝過程中連續倒塌的模擬

選取靈敏度為0.0483的287號桿件和靈敏度為0.0257的645號桿件進行吊裝模擬，判斷哪個構件相對與整體結構更“重要”；針對重要構件，應該重點加強防護。

3.1 拆除287號桿件

由于網架在吊裝過程中，在自身重力下上弦桿受壓應力，相較于下弦桿達到強度破壞，上弦桿件更容易先通過失穩而失效，從而引起整個結構的破壞。故首先選取靈敏度為0.0483的287號桿件作為關鍵構件，根據拆除構件法，將287號單元刪除，進行網架吊裝過程中的連續倒塌分析，由ANSYS/LS-DYNA模擬的結果如圖3所示。

圖3 287號桿失效后的倒塌形式

由圖3可以看出，當287號桿突然失效后，引起一系列周圍桿件的破壞，由于多米諾骨牌效應，最終使網架完全破壞，造成經濟損失。

3.2 拆除645號桿件

645號桿件位于網架的下弦部分，靈敏度大小為0.0257，相對于287號桿件的靈敏度較小，以下是由ANSYS/LS-DYNA模擬的結果，如圖4所示。

由圖4可以看出645桿突然失效后后對整體結構沒有明顯影響。

通過287號桿件和645號桿件的對比分析，判斷出了不同靈敏度的構件對于網架在吊裝時連續倒塌的影響，顯然靈敏度大的構件更容易引起整體結構的連續倒塌，應該重點防護此類構件。

4 網架結構吊裝過程中抗連續倒塌的措施

4.1 加強關鍵構件

通過增大287號桿件以及周圍桿件的截面積來增強網架的抗連續倒塌能力，由原來直徑為127mm的鋼管換成直徑為152mm的鋼管，加強后的連續倒塌分析如圖5所示。

圖4 645號桿失效后的倒塌形式

圖5 加強單元后的倒塌形式

從圖5中可以看出，在相同時刻，雖然結構發生了形變，但是相較于原截面積的倒塌形式，桿件沒有發生斷裂掉落，從而有效的防止了網架在吊裝過程中發生連續倒塌事故，造成不必要的經濟損失與人力資源的浪費。

4.2 優化吊裝方式

通過對吊裝方法適當優化，就能得到良好的效果。比如將本文網架結構的吊點改為257,262,341,346，其靜力分析如圖6和圖7。

由圖可知，優化后整體在吊裝時，各桿受力更加均勻，關鍵構件的區域有所減小，從而有效防止了突然荷載或節點的突然破壞引起整個結構的連續倒塌。

圖6 優化后的位移分布

圖7 優化后的軸力分布

5 結束語

本文根據冗余度理論，采用大型計算軟件ANSYS/LS-DYNA，建立了網架吊裝施工計算模型，對其進行了靜力分析，模態分析以及極限承載力的分析，并使用拆除構件法，選擇具有代表性的關鍵構件進行數值倒塌模擬，得到了如下結論：桿件敏感度分析以及拆除構件法在空間結構吊裝分析中具有合理性；提出的抗連續倒塌設計的措施，即加強關鍵構件和優化吊裝施工方法，并且加以仿真模擬，結果顯示網架在吊裝過程中的抗連續倒塌設計方法可行。從而可以有效的防止連續倒塌事故的發生。

[1] 高亮. 雙層柱面網殼結構抗倒塌能力的分析[D]. 太原理工大學, 2012

[2] 徐公勇. 單層球面網殼抗連續倒塌分析[D]. 西南交通大學, 2011