拉索預(yù)應(yīng)力柱面巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能分析

苗 強(qiáng)

(中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000)

?

拉索預(yù)應(yīng)力柱面巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能分析

苗 強(qiáng)

(中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000)

利用ANSYS有限元軟件，對兩種不同布索方式的預(yù)應(yīng)力柱面巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行了特征值屈曲分析，討論了主體結(jié)構(gòu)矢跨比等參數(shù)對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力的影響，得到了一些可供參考的結(jié)論。

巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力，特征值屈曲，矢跨比

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，大跨空間結(jié)構(gòu)不斷創(chuàng)新，為突破大內(nèi)力、整體穩(wěn)定等因素的限制，巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系應(yīng)運(yùn)而生。該體系由兩級組成，第一級為大網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，稱為主體結(jié)構(gòu)，承擔(dān)整個(gè)結(jié)構(gòu)上的載荷并將其傳遞至支承結(jié)構(gòu)；第二級為普通網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，布置于主體結(jié)構(gòu)的大網(wǎng)格中，承受大網(wǎng)格范圍內(nèi)的屋面荷載并將其傳遞至主體結(jié)構(gòu)。為使柱面巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更大的跨越能力，將預(yù)應(yīng)力技術(shù)引入柱面巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形成拉索預(yù)應(yīng)力柱面巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

2 特征值屈曲分析

以140 m跨柱面巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)為例，主結(jié)構(gòu)矢跨比為1/6，大網(wǎng)格數(shù)為8×8，拱向立體桁架高度h1=3.0 m，縱向立體桁架梁高度h2=2.9 m。子結(jié)構(gòu)采用叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，矢跨比為1/6，子結(jié)構(gòu)采用周邊支撐的方式與主體結(jié)構(gòu)連接，主體結(jié)構(gòu)支撐采用桁架拱兩端上下弦固定鉸支。布索方案采用方案一：參考張弦柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式，引入預(yù)應(yīng)力索桿結(jié)構(gòu)而形成，下部索采用拋物線，忽略索自重影響；方案二：布索方案二在桁架拱的跨中內(nèi)側(cè)和兩端外側(cè)布置拉索，在拉索與拱之間布置撐桿，桿長約為桁架拱矢高的1/3(見圖1)。

結(jié)構(gòu)所選桿件規(guī)格如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)表

2.1 基本性能分析

圖2，圖3為各結(jié)構(gòu)在協(xié)同承載與單獨(dú)承載時(shí)的第一階屈曲模態(tài)。

由圖2可知，考慮協(xié)同承載時(shí)，兩種布索結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)相似，均發(fā)生局部失穩(wěn)；由圖3可知，考慮主結(jié)構(gòu)單獨(dú)承載時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)在跨中兩側(cè)呈一側(cè)下凹另一側(cè)上凸的失穩(wěn)形態(tài)，由此可知預(yù)應(yīng)力的作用只能有限的提高結(jié)構(gòu)屈曲荷載并不能改變結(jié)構(gòu)的屈曲特征。各結(jié)構(gòu)屈曲荷載見表2。

表2 各結(jié)構(gòu)屈曲荷載 kN/m2

2.2 主體結(jié)構(gòu)矢跨比的影響

取主體結(jié)構(gòu)矢跨比分別為1/4，1/5，1/6，1/8，1/10，對比結(jié)構(gòu)在滿跨以及半跨均布荷載作用下的特征值屈曲荷載變化。表3為不同矢跨比下結(jié)構(gòu)特征值屈曲荷載，圖4為特征值屈曲荷載隨主體結(jié)構(gòu)矢跨比變化曲線。

表3 不同矢跨比下結(jié)構(gòu)的特征值屈曲荷載 kN/m2

由圖4可知，滿跨荷載下，各結(jié)構(gòu)屈曲荷載均隨矢跨比的增大而增大，方案二下結(jié)構(gòu)的屈曲荷載均高于方案一；半跨荷載下，無索結(jié)構(gòu)與方案一均在矢跨比為1/5時(shí)達(dá)到最大值，而方案二在矢跨比為1/6時(shí)達(dá)到最大值。綜合比較而言，結(jié)構(gòu)在半跨荷載作用下的承載能力低于滿跨荷載作用，且矢跨比越大，差值越大，當(dāng)矢跨比為1/4時(shí)，結(jié)構(gòu)在半跨荷載下的屈曲荷載約為滿跨荷載下的70%。

2.3 預(yù)應(yīng)力大小的影響

取不同預(yù)應(yīng)力大小對比結(jié)構(gòu)在滿跨以及半跨均布荷載作用下的特征值屈曲荷載變化。

表4 不同預(yù)應(yīng)力下結(jié)構(gòu)的特征值屈曲荷載 kN/m2

由表4可知，在滿跨荷載作用下，兩種布索結(jié)構(gòu)的屈曲荷載均隨著預(yù)應(yīng)力的增大而增大，但增幅較小，方案二的承載能力高于方案一；在半跨荷載作用下，方案一的屈曲荷載隨著預(yù)應(yīng)力的增大而增大，但方案二由于布索形式的影響，對半跨荷載較為敏感，隨著預(yù)應(yīng)力的增大而屈曲荷載變小。

2.4 子結(jié)構(gòu)矢跨比的影響

分別取子結(jié)構(gòu)矢跨比為1/4，1/5，1/6，1/8，1/10，對比結(jié)構(gòu)在滿跨及半跨均布荷載作用下的特征值屈曲荷載變化(見表5)。

表5 不同子結(jié)構(gòu)矢跨比下結(jié)構(gòu)的特征值屈曲荷載 kN/m2

分析可知，滿跨荷載作用下，三種結(jié)構(gòu)的特征值屈曲荷載均隨子結(jié)構(gòu)矢跨比增大而增大，當(dāng)矢跨比為1/10時(shí)，方案一的承載能力高于方案二，當(dāng)矢跨比大于1/10時(shí)，方案二的承載能力高于方案一；在半跨荷載作用下，三種結(jié)構(gòu)的屈曲荷載在矢跨比為1/5時(shí)達(dá)到最大，矢跨比再增大時(shí)其屈曲荷載反而降低，即子結(jié)構(gòu)矢跨比為1/5時(shí)為結(jié)構(gòu)最優(yōu)矢跨比。

2.5 子結(jié)構(gòu)截面面積的影響

分別取不同子結(jié)構(gòu)桿件截面面積對比結(jié)構(gòu)在滿跨以及半跨均布荷載作用下的特征值屈曲荷載變化規(guī)律(見表6)。

表6 不同子結(jié)構(gòu)截面面積下結(jié)構(gòu)的特征值屈曲荷載 kN/m2

經(jīng)分析可知，兩種布索結(jié)構(gòu)在不同荷載形式下的屈曲荷載均隨子結(jié)構(gòu)截面面積的增大而增大，屈曲荷載與子結(jié)構(gòu)截面面積基本呈線性增長關(guān)系。因結(jié)構(gòu)均發(fā)生子結(jié)構(gòu)處的局部失穩(wěn)，所以子結(jié)構(gòu)對于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力有很大影響。隨著子結(jié)構(gòu)面積增大，結(jié)構(gòu)此區(qū)域的剛度也隨之變大，其屈曲承載力必然增大。

3 結(jié)論及建議

1)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)與無預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)基本相同，預(yù)應(yīng)力的作用提高了結(jié)構(gòu)的特征值屈曲荷載但沒有改變結(jié)構(gòu)的屈曲特征。

2)對于特征值屈曲分析，結(jié)構(gòu)均發(fā)生子結(jié)構(gòu)處的局部失穩(wěn)破壞，滿跨荷載下結(jié)構(gòu)特征值屈曲荷載隨主體結(jié)構(gòu)矢跨比的增大而減小，而隨預(yù)應(yīng)力值、子結(jié)構(gòu)截面面積、子結(jié)構(gòu)矢跨比的增大而增大；半跨荷載下其特征值屈曲荷載隨預(yù)應(yīng)力值、子結(jié)構(gòu)截面面積的增大而增大，且其特征值屈曲荷載在主體結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)矢跨比為1/5時(shí)取得最大值。

[1] 賀擁軍，董石麟.巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的形體分析與力學(xué)模型[A].第九屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議[C].2000.

[2] 賀擁軍，周佳偉，周緒紅.拉索預(yù)應(yīng)力球面巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)靜力性能優(yōu)化分析[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，37(3)：7-12.

[3] 賀擁軍，章小桐，周緒紅.拉索預(yù)應(yīng)力折線型立體桁架拱布索方案研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，38(8)：7-12.

[4] 汪 凱，趙耀宗.單層柱面索拉網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的靜力特性分析[J].空間結(jié)構(gòu)，2010，16(3)：25-29.

Analysis on the stability preformance of pretensioned cylinderical reticulated mega-structure

Miao Qiang

(MCCHuatianEngineering&TechnologyCorporation,Nanjing210000,China)

The paper adopts the finite element software ANSYS, to undertake the deflection analysis of the feature values of the pretensioned cylindrical reticulated mega-structure with two cable allocation means, discusses the influence of the parameter of the main structure including the rise-span ratio on the structural stable loading capacity, and concludes some references.

reticulate mega-strucutre, pretension, defection of feature value, rise span ratio

1009-6825(2017)06-0058-03

2016-12-17

苗 強(qiáng)(1989- )，男，助理工程師

TU393

A