雙曲面球形網(wǎng)架支撐結(jié)構(gòu)剛度的研究與探討

劉莉　王聚超　劉雅楠

摘 要：雙層曲面球形網(wǎng)殼是當(dāng)今運(yùn)用越來越多的一種空間結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式以它美觀的造型、方便的施工、經(jīng)濟(jì)效益合理、整體剛度強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，受到國內(nèi)外工程人員的青睞。目前國內(nèi)外學(xué)者的對(duì)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)架部分的研究相對(duì)比較重視，研究成果也比較成熟，但是對(duì)雙曲面網(wǎng)殼下部支撐結(jié)構(gòu)研究相對(duì)不足。本文通過有限元模擬的方法對(duì)雙層曲面球形網(wǎng)殼下部支撐框架在實(shí)際工況下抗側(cè)剛度進(jìn)行模擬研究，對(duì)抗側(cè)移剛度的理論計(jì)算方法的結(jié)果和實(shí)際剛度進(jìn)行了比較和探討。這對(duì)于雙層曲面球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步推廣和發(fā)展具有一定的意義。

關(guān)鍵詞：雙層曲面球形網(wǎng)殼；有限元；抗側(cè)剛度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.188

0 引言

目前隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，雙層球殼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式在我國的應(yīng)用是越來越廣泛，尤其是倉儲(chǔ)堆場、體育館等大型設(shè)施的大量建設(shè)對(duì)雙曲面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的大量需求。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是高次超靜定結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)上部桿系結(jié)構(gòu)的空間分析方法研究的已經(jīng)做出大量的研究，已經(jīng)相對(duì)比較成熟。由于《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》（JGJ7-91）沒有要求，我國大部分的的網(wǎng)架設(shè)計(jì)軟件都把網(wǎng)架的上部桿系結(jié)構(gòu)和下部支撐框架結(jié)構(gòu)分開來計(jì)算，這就導(dǎo)致了部分設(shè)計(jì)人員極其重視上部桿系結(jié)構(gòu)的空間計(jì)算，從而忽視了下部支撐框架結(jié)構(gòu)的的相關(guān)問題，網(wǎng)現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員下部結(jié)構(gòu)支承剛度的計(jì)算方法的選取都趨于不合理。與空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)自身研究的快速發(fā)展相比，對(duì)于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)重要的下部支撐系統(tǒng)以及網(wǎng)架與其下部支撐結(jié)構(gòu)的空間整體作用的研究相對(duì)偏少，這種狀況將對(duì)空間網(wǎng)架的健康發(fā)展帶來一定影響[1]。

1 支承結(jié)構(gòu)的彈性效應(yīng)

雙曲面球形網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與下部支撐框架結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作效應(yīng)相對(duì)比較復(fù)雜，應(yīng)分為以下幾個(gè)方面進(jìn)行討論[2，3]：

（1）將下部支撐結(jié)構(gòu)視為不動(dòng)鉸支座：下部結(jié)構(gòu)的剛度遠(yuǎn)大于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的自身剛度，此時(shí)可以把下部支撐結(jié)構(gòu)看做是剛體，例如支座為墩體時(shí)[4]。

（2）當(dāng)網(wǎng)架支承于獨(dú)立柱上面時(shí)，可以忽略其在豎直方向上的位移，只計(jì)算水平方向上的彈性剛度，即柱的抗側(cè)剛度，其計(jì)算方法如

2 模擬、對(duì)比和分析

由于雙曲面球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)下部支撐框架幾何形狀的獨(dú)特性和約束條件的不規(guī)則使得常規(guī)的實(shí)驗(yàn)無法實(shí)行，因此必須采用三維有限元的分析模型，下文以湛江某大學(xué)綜合館為實(shí)際工程背景，利用有限元軟件abaqus為工具， 建立起其下部支撐框架ABAQUS的有限元模型，對(duì)其下部支撐框架的抗側(cè)移剛度進(jìn)行模擬、對(duì)比和分析。

以下建立實(shí)際工程所采用獨(dú)立柱和環(huán)形框架支撐結(jié)構(gòu)的一榀框架進(jìn)行模擬對(duì)比分析

由于雙曲面球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是由兩種不同的結(jié)構(gòu)形式單元組成。上部桿系結(jié)構(gòu)是空間鉸接結(jié)構(gòu)，基本桿件單元為兩端鉸接的單向受力空間桿單元；混凝土框架結(jié)構(gòu)屬于空間剛架結(jié)構(gòu)，基本單元為兩端固結(jié)的空間梁單元。在單元分析中，位移、力都是對(duì)局部坐標(biāo)系定義的[5]。因此本模型采用的空間梁單元進(jìn)行模擬。

對(duì)以上兩種結(jié)構(gòu)形式施加相同的集中荷載用來模擬真實(shí)情況下的實(shí)際工況，經(jīng)有限元計(jì)算，得到頂部位移獨(dú)立柱為大約25mm 一榀框架框架柱的頂部位移為10mm。由上圖可以看出在實(shí)際工程計(jì)算用出下部支撐剛度與實(shí)際情況相差較大。

3 結(jié)語

本文討論了雙曲面球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)下部支撐框架結(jié)構(gòu)的一些抗側(cè)移剛度的計(jì)算方法，通過有限元軟進(jìn)行了兩種情況下的模擬分析計(jì)算。經(jīng)過分析和研究可以得出，現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)中，對(duì)雙曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)下部支撐框架剛度的所采用的理論計(jì)算過于保守，特殊的下部支撐框架結(jié)構(gòu)對(duì)剛度的影響影響很大，再采用獨(dú)立柱的計(jì)算方法就不合理，容易造成材料的浪費(fèi)和實(shí)際應(yīng)用過程的隱患，需要進(jìn)一步研究與探討。

參考文獻(xiàn)：

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