新型預應力單層柱面網(wǎng)殼的靜力特性和參數(shù)分析

徐英雷

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司建筑工程設計研究院，北京 100055)

0 引言

新型預應力單層柱面網(wǎng)殼結構是一種在單層柱面網(wǎng)殼上增加一定的撐桿和預應力索體系后形成的新型大跨度空間鋼結構［1］。單斜桿型單層圓柱面網(wǎng)殼當跨度較大時受力性能受到自身剛度和承載力限制，此時主要的承重構件為其橫向主拱桿件，位移是結構最主要的控制指標。當在此單層柱面網(wǎng)殼上的適當位置增加撐桿和預應力索體系形成新型結構之后，單層柱面網(wǎng)殼依靠預應力索—撐桿體系的空間整體協(xié)調作用，在承受全跨均布豎向節(jié)點荷載時，受力性能顯著增強，相比原結構剛度和承載力都有較大的提高。在承受半跨均布豎向節(jié)點荷載下，該新型結構的受力性能較原結構也有一定的改善，但剛度和承載力的提高程度不如僅承受全跨均布荷載時顯著，結構桿件仍有較大的強度潛力。本文針對該新型結構的受力特點，在保證撐桿和預應力索體系及結構整體穩(wěn)定性［2］的前提下，分析了特定參數(shù)下新型預應力單層柱面網(wǎng)殼結構在不同豎向荷載工況作用下矢跨比、撐桿高度等結構參數(shù)的變化對結構靜力狀態(tài)受力性能的影響，較深入地研究其最大位移和最大應力的變化規(guī)律。

1 有限元模型的建立

按照文獻［1］中的結構參數(shù)利用有限元軟件ANSYS建立完全相同的新型預應力單層柱面網(wǎng)殼結構模型見圖1(圖中隱去網(wǎng)殼斜桿)。拉索、撐桿、橫向主拱之間均假定為鉸接。結構沿單層柱面網(wǎng)殼兩縱邊三向固定鉸支。計算中考慮幾何大變形非線性和應力剛化的影響。

圖1 新型預應力單層柱面網(wǎng)殼結構

2 靜力特性與參數(shù)分析

在結構不同矢跨比時的網(wǎng)殼節(jié)點上，在僅結構兩側索系的撐桿長度從2.1 m變化到5.1 m時的網(wǎng)殼節(jié)點上，在結構中部和兩側撐桿高度同時變化的網(wǎng)殼節(jié)點上，分別施加遞增的全跨和半跨豎向均布節(jié)點荷載，最大正負位移和最大應力指標的變化趨勢如圖2～圖6所示。

圖2 全跨遞增均布荷載下，結構最大位移與最大應力曲線（一）

圖3 半跨遞增均布荷載下，結構最大位移與最大應力曲線（一）

2.1 矢跨比對結構靜力特性的影響

分析可知在全跨均布荷載下矢跨比對結構靜力性能的影響極大，結構的最大正位移和最大應力是主控指標，隨著結構矢跨比的遞增，結構的承載能力急劇減小。在半跨均布荷載下，總體上看結構在矢跨比不同時對半跨均布節(jié)點荷載的抵抗能力比較接近，但矢跨比在0.3左右為最優(yōu)，受力性能較好，起控制作用的位移指標相對最小。需要注意的是，在完全相同的荷載值作用下，矢跨比為0.5時的結構比不同矢跨比時更早表現(xiàn)出結構的非線性特征。由此可知，矢跨比較大對結構的各項受力性能均不利。

2.2 僅兩側撐桿高度改變對結構靜力特性的影響

圖4 全跨遞增均布荷載下，結構最大位移與最大應力曲線（二）

圖5 半跨遞增均布荷載下，結構最大位移與最大應力曲線（二）

圖6 全跨遞增均布荷載下，結構最大位移與最大應力曲線（三）

保持結構中部撐桿長度不變時僅改變兩側撐桿的長度，相當于改變側桿與中桿長度的比值。在全跨均布荷載下，隨著側桿長度遞增，結構的最大位移和最大應力指標在荷載值較小時改善不多，在荷載值較大時卻呈現(xiàn)較大幅度提高。但當側桿的長度增加到一定值時，即當側桿長度達到中桿最大長度的1.2倍及以上時，單純增加側桿高度對結構各項指標的改善作用就不再那么顯著。在半跨均布荷載下，結構受力狀態(tài)較為不利些，最大正位移在結構的正負位移指標中起主控作用，通過增加側桿長度對結構受力性能的改善作用有限并不明顯，尤其對最大應力指標影響不大。

2.3 同時改變中部撐桿和兩側撐桿長度對結構靜力特性的影響

如圖6所示有三種結構不同的撐桿工況(中桿圖中只注明最大長度)，各工況設置參數(shù)為:中桿由兩側向中部分別為1.8 m，3 m，3.6 m，3.9 m，側桿為 2.7 m;中桿為 1.8 m，3 m，3.6 m，3.9 m，側桿為3.9 m;中桿為2.1 m，3.6 m，4.8 m，5.4 m，側桿為3.9 m，在全跨或半跨均布荷載下，在側桿長度不變時再增加中桿的長度對結構受力性能的改善很少。在全跨荷載下，結構的最大正位移在荷載值較大時有一定改善，只增加中桿長度有利于控制結構豎直向下的正向位移，但對結構最大應力的降低作用不及只增加側桿長度時那么明顯。同理計算分析可知，單純增加中桿長度不能起到抵抗半跨荷載的作用，在半跨荷載下，隨著撐桿長度的增加，最大應力呈增加趨勢但增幅很小。

3 結語

1)新型拉索—單層柱面網(wǎng)殼結構的矢跨比不宜定的過大，取0.3較為合理。2)當結構以位移為主要控制指標時，在半跨均布豎向節(jié)點荷載下，增加中部撐桿的長度并不能提高結構抵抗半跨荷載作用的能力，但兩側撐桿高度的增加使結構的正負位移指標皆有一定程度的減小，故可通過增加兩側撐桿高度改善結構在半跨荷載作用下的靜力特性。3)當結構以位移為主控指標時，在全跨均布豎向節(jié)點荷載下，在一定范圍內(nèi)無論隨著兩側撐桿長度還是中部撐桿長度的增加，正位移指標都呈降低趨勢，但荷載較小時負位移指標略微增加，此時豎直向上的節(jié)點位移為主控指標;荷載較大時，負位移方呈減小趨勢，此時豎直向下的節(jié)點正位移為主控指標。4)兩側撐桿長度的增加使得結構在全跨均布荷載下最大應力指標始終呈降低趨勢，但在半跨均布荷載下卻呈增加趨勢。中部撐桿長度的增加對結構桿件應力狀態(tài)的影響不大。

［1］王秀麗，徐英雷，張憲江.新型拉索—單層柱面網(wǎng)殼結構性能初探［A］.劉錫良.第七屆全國現(xiàn)代結構工程學術研討會論文集［C］.北京:工業(yè)建筑出版社，2007:367-373.

［2］徐英雷，王秀麗.新型拉索—單層柱面網(wǎng)殼結構的穩(wěn)定性和參數(shù)分析［J］.四川建筑科學研究，2010，36(2):88-91.

［3］尹德鈺，劉善維，錢若軍.網(wǎng)殼結構設計［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1996.

［4］趙建偉.某單層球面網(wǎng)殼結構設計［J］.山西建筑，2012，38(21):48-50.

［5］JGJ 61-2003，網(wǎng)殼結構技術規(guī)程［S］.

［6］GB 50017-2003，鋼結構設計規(guī)范［S］.