雙曲面球形網(wǎng)架支撐結(jié)構(gòu)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(wǎng)殼是當(dāng)今運用越來越多的一種空間結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式以它美觀的造型、方便的施工、經(jīng)濟效益合理、整體剛度強等優(yōu)點，受到國內(nèi)外工程人員的青睞。目前國內(nèi)外學(xué)者的對結(jié)構(gòu)的網(wǎng)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(wǎng)殼下部支撐結(jié)構(gòu)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(wǎng)殼下部支撐框架在實際工況下抗側(cè)剛度進行模擬研究，對抗側(cè)移剛度的理論計算方法的結(jié)果和實際剛度進行了比較和探討。這對于雙層曲面球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的進一步推廣和發(fā)展具有一定的意義。

關(guān)鍵詞：雙層曲面球形網(wǎng)殼；有限元；抗側(cè)剛度

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

0 引言

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

1 支承結(jié)構(gòu)的彈性效應(yīng)

雙曲面球形網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與下部支撐框架結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作效應(yīng)相對比較復(fù)雜，應(yīng)分為以下幾個方面進行討論[2，3]：

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

（2）當(dāng)網(wǎng)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(cè)剛度，其計算方法如

2 模擬、對比和分析

由于雙曲面球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)下部支撐框架幾何形狀的獨特性和約束條件的不規(guī)則使得常規(guī)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(xué)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(cè)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(huán)形框架支撐結(jié)構(gòu)的一榀框架進行模擬對比分析

由于雙曲面球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是由兩種不同的結(jié)構(gòu)形式單元組成。上部桿系結(jié)構(gòu)是空間鉸接結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)屬于空間剛架結(jié)構(gòu)，基本單元為兩端固結(jié)的空間梁單元。在單元分析中，位移、力都是對局部坐標(biāo)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(jié)構(gòu)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(jīng)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(jié)語

本文討論了雙曲面球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)下部支撐框架結(jié)構(gòu)的一些抗側(cè)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(jīng)過分析和研究可以得出，現(xiàn)在設(shè)計人員在設(shè)計網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)中，對雙曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(wǎng)架支座及支承框架設(shè)計存在的幾個問題[J].四川建筑工程結(jié)構(gòu)，2009，29（03） .

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

[3]范中暄.網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(yīng)波，陳軍明.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)協(xié)同工作的研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2004（03）.

[5]彭俊生，羅永坤.結(jié)構(gòu)概念分析與 SAP2000 應(yīng)用[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2005（10）.endprint