新型預(yù)應(yīng)力單層柱面網(wǎng)殼的靜力特性和參數(shù)分析

徐英雷

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司建筑工程設(shè)計研究院，北京 100055)

0 引言

新型預(yù)應(yīng)力單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是一種在單層柱面網(wǎng)殼上增加一定的撐桿和預(yù)應(yīng)力索體系后形成的新型大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)［1］。單斜桿型單層圓柱面網(wǎng)殼當(dāng)跨度較大時受力性能受到自身剛度和承載力限制，此時主要的承重構(gòu)件為其橫向主拱桿件，位移是結(jié)構(gòu)最主要的控制指標(biāo)。當(dāng)在此單層柱面網(wǎng)殼上的適當(dāng)位置增加撐桿和預(yù)應(yīng)力索體系形成新型結(jié)構(gòu)之后，單層柱面網(wǎng)殼依靠預(yù)應(yīng)力索—撐桿體系的空間整體協(xié)調(diào)作用，在承受全跨均布豎向節(jié)點荷載時，受力性能顯著增強(qiáng)，相比原結(jié)構(gòu)剛度和承載力都有較大的提高。在承受半跨均布豎向節(jié)點荷載下，該新型結(jié)構(gòu)的受力性能較原結(jié)構(gòu)也有一定的改善，但剛度和承載力的提高程度不如僅承受全跨均布荷載時顯著，結(jié)構(gòu)桿件仍有較大的強(qiáng)度潛力。本文針對該新型結(jié)構(gòu)的受力特點，在保證撐桿和預(yù)應(yīng)力索體系及結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性［2］的前提下，分析了特定參數(shù)下新型預(yù)應(yīng)力單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在不同豎向荷載工況作用下矢跨比、撐桿高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對結(jié)構(gòu)靜力狀態(tài)受力性能的影響，較深入地研究其最大位移和最大應(yīng)力的變化規(guī)律。

1 有限元模型的建立

按照文獻(xiàn)［1］中的結(jié)構(gòu)參數(shù)利用有限元軟件ANSYS建立完全相同的新型預(yù)應(yīng)力單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型見圖1(圖中隱去網(wǎng)殼斜桿)。拉索、撐桿、橫向主拱之間均假定為鉸接。結(jié)構(gòu)沿單層柱面網(wǎng)殼兩縱邊三向固定鉸支。計算中考慮幾何大變形非線性和應(yīng)力剛化的影響。

圖1 新型預(yù)應(yīng)力單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

2 靜力特性與參數(shù)分析

在結(jié)構(gòu)不同矢跨比時的網(wǎng)殼節(jié)點上，在僅結(jié)構(gòu)兩側(cè)索系的撐桿長度從2.1 m變化到5.1 m時的網(wǎng)殼節(jié)點上，在結(jié)構(gòu)中部和兩側(cè)撐桿高度同時變化的網(wǎng)殼節(jié)點上，分別施加遞增的全跨和半跨豎向均布節(jié)點荷載，最大正負(fù)位移和最大應(yīng)力指標(biāo)的變化趨勢如圖2～圖6所示。

圖2 全跨遞增均布荷載下，結(jié)構(gòu)最大位移與最大應(yīng)力曲線（一）

圖3 半跨遞增均布荷載下，結(jié)構(gòu)最大位移與最大應(yīng)力曲線（一）

2.1 矢跨比對結(jié)構(gòu)靜力特性的影響

分析可知在全跨均布荷載下矢跨比對結(jié)構(gòu)靜力性能的影響極大，結(jié)構(gòu)的最大正位移和最大應(yīng)力是主控指標(biāo)，隨著結(jié)構(gòu)矢跨比的遞增，結(jié)構(gòu)的承載能力急劇減小。在半跨均布荷載下，總體上看結(jié)構(gòu)在矢跨比不同時對半跨均布節(jié)點荷載的抵抗能力比較接近，但矢跨比在0.3左右為最優(yōu)，受力性能較好，起控制作用的位移指標(biāo)相對最小。需要注意的是，在完全相同的荷載值作用下，矢跨比為0.5時的結(jié)構(gòu)比不同矢跨比時更早表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的非線性特征。由此可知，矢跨比較大對結(jié)構(gòu)的各項受力性能均不利。

2.2 僅兩側(cè)撐桿高度改變對結(jié)構(gòu)靜力特性的影響

圖4 全跨遞增均布荷載下，結(jié)構(gòu)最大位移與最大應(yīng)力曲線（二）

圖5 半跨遞增均布荷載下，結(jié)構(gòu)最大位移與最大應(yīng)力曲線（二）

圖6 全跨遞增均布荷載下，結(jié)構(gòu)最大位移與最大應(yīng)力曲線（三）

保持結(jié)構(gòu)中部撐桿長度不變時僅改變兩側(cè)撐桿的長度，相當(dāng)于改變側(cè)桿與中桿長度的比值。在全跨均布荷載下，隨著側(cè)桿長度遞增，結(jié)構(gòu)的最大位移和最大應(yīng)力指標(biāo)在荷載值較小時改善不多，在荷載值較大時卻呈現(xiàn)較大幅度提高。但當(dāng)側(cè)桿的長度增加到一定值時，即當(dāng)側(cè)桿長度達(dá)到中桿最大長度的1.2倍及以上時，單純增加側(cè)桿高度對結(jié)構(gòu)各項指標(biāo)的改善作用就不再那么顯著。在半跨均布荷載下，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)較為不利些，最大正位移在結(jié)構(gòu)的正負(fù)位移指標(biāo)中起主控作用，通過增加側(cè)桿長度對結(jié)構(gòu)受力性能的改善作用有限并不明顯，尤其對最大應(yīng)力指標(biāo)影響不大。

2.3 同時改變中部撐桿和兩側(cè)撐桿長度對結(jié)構(gòu)靜力特性的影響

如圖6所示有三種結(jié)構(gòu)不同的撐桿工況(中桿圖中只注明最大長度)，各工況設(shè)置參數(shù)為:中桿由兩側(cè)向中部分別為1.8 m，3 m，3.6 m，3.9 m，側(cè)桿為 2.7 m;中桿為 1.8 m，3 m，3.6 m，3.9 m，側(cè)桿為3.9 m;中桿為2.1 m，3.6 m，4.8 m，5.4 m，側(cè)桿為3.9 m，在全跨或半跨均布荷載下，在側(cè)桿長度不變時再增加中桿的長度對結(jié)構(gòu)受力性能的改善很少。在全跨荷載下，結(jié)構(gòu)的最大正位移在荷載值較大時有一定改善，只增加中桿長度有利于控制結(jié)構(gòu)豎直向下的正向位移，但對結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力的降低作用不及只增加側(cè)桿長度時那么明顯。同理計算分析可知，單純增加中桿長度不能起到抵抗半跨荷載的作用，在半跨荷載下，隨著撐桿長度的增加，最大應(yīng)力呈增加趨勢但增幅很小。

3 結(jié)語

1)新型拉索—單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的矢跨比不宜定的過大，取0.3較為合理。2)當(dāng)結(jié)構(gòu)以位移為主要控制指標(biāo)時，在半跨均布豎向節(jié)點荷載下，增加中部撐桿的長度并不能提高結(jié)構(gòu)抵抗半跨荷載作用的能力，但兩側(cè)撐桿高度的增加使結(jié)構(gòu)的正負(fù)位移指標(biāo)皆有一定程度的減小，故可通過增加兩側(cè)撐桿高度改善結(jié)構(gòu)在半跨荷載作用下的靜力特性。3)當(dāng)結(jié)構(gòu)以位移為主控指標(biāo)時，在全跨均布豎向節(jié)點荷載下，在一定范圍內(nèi)無論隨著兩側(cè)撐桿長度還是中部撐桿長度的增加，正位移指標(biāo)都呈降低趨勢，但荷載較小時負(fù)位移指標(biāo)略微增加，此時豎直向上的節(jié)點位移為主控指標(biāo);荷載較大時，負(fù)位移方呈減小趨勢，此時豎直向下的節(jié)點正位移為主控指標(biāo)。4)兩側(cè)撐桿長度的增加使得結(jié)構(gòu)在全跨均布荷載下最大應(yīng)力指標(biāo)始終呈降低趨勢，但在半跨均布荷載下卻呈增加趨勢。中部撐桿長度的增加對結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力狀態(tài)的影響不大。

［1］王秀麗，徐英雷，張憲江.新型拉索—單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)性能初探［A］.劉錫良.第七屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會論文集［C］.北京:工業(yè)建筑出版社，2007:367-373.

［2］徐英雷，王秀麗.新型拉索—單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和參數(shù)分析［J］.四川建筑科學(xué)研究，2010，36(2):88-91.

［3］尹德鈺，劉善維，錢若軍.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1996.

［4］趙建偉.某單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.山西建筑，2012，38(21):48-50.

［5］JGJ 61-2003，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［6］GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.