聯(lián)方—凱威特型弦支穹頂靜力特性參數(shù)分析

屈訟昭 王志騫

弦支穹頂是一種復(fù)合結(jié)構(gòu),影響其靜力性能的因素比較多,下面即針對聯(lián)方—凱威特型弦支穹頂分別從矢跨比、預(yù)應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)剛度3個因素進(jìn)行參數(shù)分析。

1 計算模型

計算模型跨度為99 m,內(nèi)圈凱威特部分徑肋數(shù)量為6,外圈聯(lián)方部分徑肋數(shù)量為48,整個模型的環(huán)桿圈數(shù)為16。矢跨比為1/6,下部索從最外圈向內(nèi)連續(xù)布置8圈,環(huán)撐桿的高度從里圈到外圈依次為:內(nèi)四圈為4.5 m,最外兩圈為7.0 m,其余的為5.5 m(見圖1)。桿件為圓鋼管,上部單層網(wǎng)殼部分采用截面299×8,下部支撐豎桿采用鋼管截面為219×7,斜向拉桿采用鋼拉桿A80,環(huán)索采用半平行鋼絲束A7×73。鋼管的彈性模量為E=2.06×1011N/m2,索的彈性模量為E=1.9×1011N/m2,上部單層網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)采用剛接,下部豎桿與網(wǎng)殼的連接節(jié)點(diǎn)和豎桿與索的連接節(jié)點(diǎn)都采用鉸接。上部單層網(wǎng)殼桿件采用Beam4單元,下部支撐體系徑向拉桿和豎向撐桿采用Link8單元,環(huán)索采用Link10單元模擬。支撐方式為周邊固定鉸支支撐,荷載為全跨面荷載2 kN/m2,預(yù)應(yīng)力水平T=1 373 kN。

2 弦支穹頂結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

2.1 矢跨比對靜力性能的影響

分別以矢跨比為1/5,1/6,1/7,1/8,1/9,1/10六種情況,將弦支穹頂結(jié)構(gòu)與對應(yīng)的單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析,從而確定矢跨比對結(jié)構(gòu)靜力性能的影響。在矢跨比變化的范圍內(nèi),弦支穹頂?shù)淖畲筘Q向位移始終低于單層網(wǎng)殼的最大豎向位移。但在矢跨比為0.1時兩者之間的差值為0.01 m,在矢跨比為0.2時兩者之間的差值為0.007 m?？梢娫谑缚绫容^小的情況下,弦支穹頂結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性表現(xiàn)的比較明顯(見圖2)。

在矢跨比為0.1時,兩者之間的差值為59.32 kN;當(dāng)矢跨比為0.2時,兩者之間的差值為13.90 kN。可見,當(dāng)矢跨比較小時弦支穹頂?shù)膬?yōu)越性更加顯著(見圖3)。

隨著矢跨比的增加,弦支穹頂對桿件內(nèi)力均勻化的效果越明顯,弦支穹頂上部單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件的最大內(nèi)力與單層網(wǎng)殼桿件最大內(nèi)力差值越大。因此對于從提高桿件受力均勻性這點(diǎn)來說,弦支穹頂改善矢跨比較大的單層網(wǎng)殼的作用更加明顯。

2.2 預(yù)應(yīng)力水平對靜力性能的影響

隨著預(yù)應(yīng)力水平的提高,弦支穹頂結(jié)構(gòu)上部單層網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)豎向位移逐漸減少,但是改變的范圍很小,所以預(yù)應(yīng)力水平對結(jié)構(gòu)最大豎向位移的影響是可以忽略的。預(yù)應(yīng)力的增加,對結(jié)構(gòu)的整體剛度是沒有影響的(見圖4)。

整個過程中前期徑向支座約束反力都處于推力狀態(tài),但是從T=6 000 kN到T=8 000 kN徑向約束反力從推力變到了拉力,也就是在其之間有一點(diǎn)是可以將徑向約束反力控制在很小值的?？梢?預(yù)應(yīng)力的施加,對于減小徑向約束反力效果很明顯。可以通過改變弦支穹頂下部支撐體系中索的預(yù)應(yīng)力的大小,盡可能消除徑向約束(見圖5)。

弦支穹頂上部單層網(wǎng)殼桿件內(nèi)力絕對值最大值都隨著預(yù)應(yīng)力水平的提高有減小的趨勢。

2.3 上部桿件節(jié)點(diǎn)的選取方式對靜力性能的影響

分別就桿件鉸接連接和剛接連接兩種不同模型下對靜力性能研究,將原有模型上部單層網(wǎng)殼對應(yīng)下邊有支撐體系的剛接桿件換成鉸接,并與全部為剛接的原模型計算出的結(jié)果進(jìn)行比較。

豎向位移變化量最大的分別為:269號節(jié)點(diǎn)變化量為2.43%,458號節(jié)點(diǎn)變化量為-5.381%?？梢妰煞N不同的單元建造的模型對最終計算的位移值影響不大。

桿件內(nèi)力變化量最大的分別為:169號桿件變化量為0.24%,937號桿件變化量為-0.33%?？梢?兩種不同的單元組建的計算模型對桿件內(nèi)力的影響很小。

徑向約束變化量最大的為0.024%。切向約束變化量最大為-1.92%。豎向約束變化量最大為-0.000 1%?？梢妰煞N不同單元組建的模型對支座反力的影響微乎其微。

3 結(jié)語

1)在變形和徑向支座反力上弦支穹頂結(jié)構(gòu)對于改善矢跨比較小的單層網(wǎng)殼的效果是比較明顯的。但是在改變上部單層網(wǎng)殼桿件內(nèi)力分布,使其受力更加均勻方面矢跨比越大改善的效果越明顯。2)預(yù)應(yīng)力水平對弦支穹頂上部單層網(wǎng)殼豎向變形影響不大,徑向支座反力隨著預(yù)應(yīng)力水平的提高減小的比較明顯。桿件內(nèi)力隨著預(yù)應(yīng)力水平的提高變化不明顯。3)對于下部有支撐體系的上部單層網(wǎng)殼的桿件節(jié)點(diǎn),選用剛接或者選用鉸接對計算的結(jié)果影響很小。

[1]張明山.弦支穹頂結(jié)構(gòu)的理論研究[D].杭州:浙江大學(xué)博士論文,2004:30-43.

[2]郭佳民.弦支穹頂結(jié)構(gòu)的理論分析與試驗研究[D].杭州:浙江大學(xué)博士論文,2008:51-54.

[3]姚 姝,范 峰.K6型弦支穹頂結(jié)構(gòu)的靜力性能分析[J].建筑結(jié)構(gòu),2008,38(2):43-46.