大跨度雙層圓柱面網殼結構性能研究

【中圖分類號】：TU3 【文獻標志碼】：C 【文章編號】：008-397（05）03-58-05

【DOI編碼】：0.3969/j.issn.008-397.05.03.04

A Study on Performance of Long-span Double-layer Cylindrical Reticulated Shell Structure

WANG Shuai，YIN Yue2，YANG Xin1 （1.TianjinMunicipalEngineeringDesignamp;ResearchInstituteCo.Ltd.，Tianjin3Oo392，China;2.ScholofCivilEnginering， Tianjin University，Tianjin 300072，China） 【Abstract】：Inordertostudythe stabilityof long-span double-layer cylindrical reticulated shellstructure，awarehouse of Shougang Jingtang United Iron amp; Steel Co.，Ltd.was taken as an example.The influence of diffrentload distributions on the structure is analyzed byusing the structural design software midas GEN，and the frequent earthquake response analysis of the reticulated shellstructure was conducted.The general finite element analysis software ABAQUS was employed to analyze the entire load-displacement process of the structure，and the results of the fullelastic process analysis was obtained.These results demonstrate thatthe double-layer cylindrical reticulated shell exhibits excellent overall stability.

【Key words】：cylindrical reticulated shell;long span ;loaddistribution;seismic response;overallstability

雙層網殼結構是將桿件沿著曲面有規律地布置而組成的空間結構體系，其受力特點與薄殼結構類似，大部分荷載由網殼桿件的軸向力承受，結構簡單，傳力明確，跨越能力強。隨著網殼跨度的增加，雙層網殼尤其是圓柱面網殼的雪荷載分布、地震作用、整體穩定等對結構的影響愈加嚴重。本文針對荷載和穩定問題對大跨度雙層圓柱面網殼進行分析。

1工程概況

首鋼京唐鋼鐵公司某礦料場封閉工程位于唐山市曹妃甸區，為雙層圓柱面網殼結構，采用鉸接節點。該網殼跨度 122m ，長度 165m ，高度 43.2m ，安全等級為二級，設計使用年限 50a ，結構重要性系數1.0，抗震設防類別丙類。見圖1。

屋墻面網殼厚度 3.9m ，覆蓋有單層彩色壓型鋼板。結構采用Q345B圓鋼管桿件，節點大部分為螺栓球節點，少量為焊接球節點，其中焊接球節點采用Q345B，螺栓球節點采用 45^# 鋼。底部采用內弦支撐的彈性支座，4個角部支座剛度相同，3個方向分別為9.6×10⁷.9.6×10⁷.5×10¹³N/m ;其余支座剛度均相同，3個方向分別為 6.4×10⁷.6.4×10⁷.5×10¹³N/m 。整個屋頂表面積為 29700m² ，水平投影面積為 20 130m² ，總用鋼量 1065 t。

2計算模型與荷載分析

2.1計算模型

采用結構設計軟件midasGEN進行模擬，正放四角錐網格，尺寸 5.0m×5.0m 。見圖2。

2.2荷載取值

1）恒荷載（DLL）：網殼自重 0.34kN/m² ，屋面恒荷載 0.25kN/m² ，下弦馬道荷載 1.0kN/m 。

2）活荷載（LL1）：屋面活荷載為 0.5kN/m² ，下弦馬道荷載 1.5kN/m 。

3）雪荷載：半跨雪荷載（LL2/LL3）為 0.4kN/m² 。根據規范條款，LL4（LL5）為根據拱形屋面不均勻分布情況計算出的雪荷載；LL6（LL7）為考慮擴建的雙跨拱形屋面不均勻分布情況1計算出的雪荷載；LL8（LL9）為考慮擴建的雙跨拱形屋面不均勻分布情況2計算出的雪荷載。見圖3。

4）風荷載：基本風壓為 0.45kN/m²（n=100） ，體型系數按照規范封閉式拱形屋面取值，風振系數1.5，風壓高度變化系數按網殼最高點高度 43.2m.A 類地面粗糙度取為1.82，風荷載標準值為 w_k=1.5×0.8× 1.82×0.45=0.98kN/m²

5）溫度荷載：升溫 35^°C（T_i） ，降溫 -30^°C（T₂） 。

6）地震作用參數：場地類型為II類，抗震設防烈度7度，加速度 0.15g ，設計分組為第三組。

2.3雪荷載不均勻分布的影響

不同雪荷載分布對結構造成的影響明顯不同。LL1作用時大部分桿件的應力比LL2（LL3）作用時大，僅在2種荷載造成的應力均較小的部分桿件中，LL2（LL3）作用桿件的應力才有可能超過LL1，說明全跨屋面活荷載對結構產生的不利影響比半跨雪荷載大；與LL4（LL5）和LL8（LL9）相比，LL1對結構產生的不利影響仍然起主要作用，同時LL4（LL5）和LL8（LL9）的雪荷載分布方式對于結構有較大影響。多數桿件在LL1與LL6（LL7）分別作用時產生的應力很相近，因而LL1和LL6（LL7）對桿件應力的影響差別不大。見圖4。

2.4地震響應分析

網殼結構的抗震設防烈度7度 （0.15g） ，場地類型為IⅢ類，設計分組為第三組，阻尼比為0.02，節點恒荷載（DLL）及活荷載（LL1）轉化為質量源進行反應譜分析。采用空間桿單元，在自振特性分析的基礎上，采用振型分解反應譜法對結構進行多遇地震作用下的抗震分析[3-4]。

取15階振型，可使參與組合的振型參與質量達到總質量的 90% 以上5。分析結構前15階周期及其廣義振型參與質量可以發現，第1階振型的廣義振型參與質量以沿Y方向的平動及繞Z方向的轉動為主，第2、5階振型的廣義振型參與質量以沿 X 方向的平動及繞Y和Z方向的轉動為主，第4階振型的廣義振型參與質量以沿Z方向的平動及繞 X 和Y方向的轉動為主，第6階振型的廣義振型參與質量以沿 X 方向轉動為主，第3、7、9階振型的廣義振型參與質量以沿Z方向轉動為主，第11階振型的廣義振型參與質量以沿 X 方向轉動為主，第8、10、12、13、14及15階振型的廣義振型參與質量為繞 X 和 Z 軸的轉動慣量。見表1。

采用CQC的組合方式對結構進行多遇地震作用下的抗震分析，水平地震影響系數最大值為0.12，豎向地震影響系數為0.078。結構在水平地震作用下，動應力最大的桿件為Y向的跨度四分點處弦桿，達25.8MPa ;跨度四分點處位移較大，豎向 19.1mm 、Y向44.7mm 。在豎向地震作用下，動應力最大的桿件為跨中 Y 向的下弦桿，達到 18.9MPa ;跨中的桿件位移最大，豎向 28.4mm ，Y向位移很小可忽略不計。

2.5荷載組合及設計結果

該工程設計中考慮的荷載組合如下：1）1.2恒荷載 +1.4 屋面活荷載 ±1.0 溫度作用；2）1.35恒荷載 +0.7×1.4 屋面活荷載 ±1.0 溫度作用；

3）1.0恒荷載 +1.4 風荷載 ±1.0 溫度作用；

4）1.2恒荷載 +1.4 屋面活荷載 +0.6×1.4 風荷載 ± 1.0溫度作用；

5）1.2恒荷載 +0.7×1.4 屋面活荷載 +1.4 風荷載 ± 1.0溫度作用;

6）1.2重力荷載代表值 ±1.3 地震作用；

7）1.2重力荷載代表值 +1.3 水平地震作用 + 0.5 豎向地震作用 ±1.0 溫度作用。

荷載組合1、2分別按可變荷載效應控制和永久荷載效應控制選取分項系數。計算地震作用時，建筑的重力荷載代表值應取結構和構件自重標準值和各可變荷載組合值之和4。荷載組合6、7中重力荷載代表值即等于恒荷載與0.5倍的屋面活荷載之和。

結構共有9987根桿件，2562個節點。設計時令受壓桿件允許長細比 lt;150 ，受拉桿件少于180，應力比控制在0.93左右；支座附近桿件受壓和受拉桿件允許長細比均 lt;150 ，應力比控制在0.85左右。

經過計算分析，桿件截面規格為 ?88.5mm×3.5 mm～?245.0mm×14.0mm ，螺栓球節點采用45號鋼、規格為D1 150～260mm ，焊接球節點采用Q345鋼，規格為 D450mm×18mm～D650mm×26mm_? 。荷載組合1作用時網殼撓度最大，為 418.2mm ，是跨度的1/292，滿足要求。荷載組合3作用時網殼側移最大，為241.8mm ，是網殼高度的1/179。最終雙層球面網殼桿件最大應力比為0.83。

3整體穩定分析

單層網殼及厚度小于跨度1/50的雙層網殼均應進行穩定性計算。網殼的穩定性可按考慮幾何非線性的有限元法（即荷載-位移全過程分析）進行計算，分析中可假定材料為彈性，也可考慮材料的彈塑性。對于大型和形狀復雜的網殼結構宜采用考慮彈塑性的全過程分析方法。網殼穩定容許承載力（荷載取標準值）應等于網殼穩定極限承載力除以安全系數 K 當按彈性全過程分析，且結構為圓柱面網殼時，K可取為4.2。首鋼京唐鋼鐵公司某礦料場封閉工程雙層柱面網殼的厚度與跨度之比為1/31.3，結構形式簡單，跨度較大，應用彈性全過程分析進行了研究。

采用通用有限元分析軟件ABAQUS建立模型，定義桿件為空間桁架單元，節點鉸接，材料采用Q345鋼，楊氏模量 206×10⁹Pa ，泊松比0.3。荷載均以節點荷載形式施加，荷載組合考慮2種：工況1為結構自重 + 屋面恒荷載 + 屋面全跨活荷載；工況2為結構自重 + 屋面恒荷載 + 半跨活荷載。

3.1特征值屈曲分析

特征值屈曲分析以小位移小應變的線彈性理論為基礎]，不考慮結構在受力變形過程中結構構形的變化，也就是在外力施加的各階段，總是在結構初始構形上建立平衡方程8。工況1時，結構的第一階特征值為19.1；工況2時，結構的第一階特征值為25.9。見圖5。

3.2非線性屈曲分析

采用弧長法考慮結構的幾何非線性，以第一階屈曲模態為依據，引入初始缺陷 0.407m（L/300） 進行非線性分析，網殼發生極值點失穩，結構所得最大荷載水平可認為是所求整體屈曲臨界荷載。采用跨中最高點的豎向位移，得出2種荷載工況下彈性全過程分析的荷載-位移曲線。見圖6。

活荷載的不均勻分布對結構有一定影響，荷載工況2比荷載工況1的容許承載力大 25.0% 。見表2。

4結論

1）首鋼京唐鋼鐵公司某倉庫采用的雙層圓柱面網殼具有良好的受力性能，結構安全、穩定性和抗震性能優越。

2）不同的荷載分布對結構造成的影響不同。全跨屋面活荷載對結構產生的不利影響比半跨雪荷載大，全跨屋面活荷載和考慮擴建的雙跨拱形屋面雪荷載不均勻分布情況1對結構的影響作用相近，而拱形屋面雪荷載分布和考慮擴建的雙跨拱形屋面雪荷載不均勻分布情況2對結構的不利影響均比全跨屋面活荷載小。

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