雙曲面球形網架支撐結構剛度的研究與探討

劉莉　王聚超　劉雅楠

摘 要：雙層曲面球形網殼是當今運用越來越多的一種空間結構形式，這種結構形式以它美觀的造型、方便的施工、經濟效益合理、整體剛度強等優點，受到國內外工程人員的青睞。目前國內外學者的對結構的網架部分的研究相對比較重視，研究成果也比較成熟，但是對雙曲面網殼下部支撐結構研究相對不足。本文通過有限元模擬的方法對雙層曲面球形網殼下部支撐框架在實際工況下抗側剛度進行模擬研究，對抗側移剛度的理論計算方法的結果和實際剛度進行了比較和探討。這對于雙層曲面球形網殼結構的進一步推廣和發展具有一定的意義。

關鍵詞：雙層曲面球形網殼；有限元；抗側剛度

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

0 引言

目前隨著我國經濟建設的蓬勃發展，雙層球殼網架結構形式在我國的應用是越來越廣泛，尤其是倉儲堆場、體育館等大型設施的大量建設對雙曲面網架結構的大量需求。網架結構是高次超靜定結構，國內外學者對上部桿系結構的空間分析方法研究的已經做出大量的研究，已經相對比較成熟。由于《網架結構設計與施工規程》（JGJ7-91）沒有要求，我國大部分的的網架設計軟件都把網架的上部桿系結構和下部支撐框架結構分開來計算，這就導致了部分設計人員極其重視上部桿系結構的空間計算，從而忽視了下部支撐框架結構的的相關問題，網現在設計人員下部結構支承剛度的計算方法的選取都趨于不合理。與空間網架結構自身研究的快速發展相比，對于網架結構重要的下部支撐系統以及網架與其下部支撐結構的空間整體作用的研究相對偏少，這種狀況將對空間網架的健康發展帶來一定影響[1]。

1 支承結構的彈性效應

雙曲面球形網架結構與下部支撐框架結構的協同工作效應相對比較復雜，應分為以下幾個方面進行討論[2，3]：

（1）將下部支撐結構視為不動鉸支座：下部結構的剛度遠大于網架結構的自身剛度，此時可以把下部支撐結構看做是剛體，例如支座為墩體時[4]。

（2）當網架支承于獨立柱上面時，可以忽略其在豎直方向上的位移，只計算水平方向上的彈性剛度，即柱的抗側剛度，其計算方法如

2 模擬、對比和分析

由于雙曲面球形網殼結構下部支撐框架幾何形狀的獨特性和約束條件的不規則使得常規的實驗無法實行，因此必須采用三維有限元的分析模型，下文以湛江某大學綜合館為實際工程背景，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，對其下部支撐框架的抗側移剛度進行模擬、對比和分析。

以下建立實際工程所采用獨立柱和環形框架支撐結構的一榀框架進行模擬對比分析

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

對以上兩種結構形式施加相同的集中荷載用來模擬真實情況下的實際工況，經有限元計算，得到頂部位移獨立柱為大約25mm 一榀框架框架柱的頂部位移為10mm。由上圖可以看出在實際工程計算用出下部支撐剛度與實際情況相差較大。

3 結語

本文討論了雙曲面球形網殼結構下部支撐框架結構的一些抗側移剛度的計算方法，通過有限元軟進行了兩種情況下的模擬分析計算。經過分析和研究可以得出，現在設計人員在設計網殼的結構中，對雙曲面網殼結構下部支撐框架剛度的所采用的理論計算過于保守，特殊的下部支撐框架結構對剛度的影響影響很大，再采用獨立柱的計算方法就不合理，容易造成材料的浪費和實際應用過程的隱患，需要進一步研究與探討。

參考文獻：

[1]邵力群，黃振民，余志祥.目前網架支座及支承框架設計存在的幾個問題[J].四川建筑工程結構，2009，29（03） .

[2]藍倜恩，錢若軍.新疆烏恰影劇院網架屋蓋震害分析[J].建筑結構，1991（05）.

[3]范中暄.網架結構震害分析—9度地震作用的新疆烏恰縣影劇院屋蓋[J].工程抗震，1992（02）.

[4]陳應波，陳軍明.網殼結構與下部結構協同工作的研究[J].華中科技大學學報（自然科學版），2004（03）.

[5]彭俊生，羅永坤.結構概念分析與 SAP2000 應用[M].成都：西南交通大學出版社，2005（10）.endprint