新型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性能分析

王曉明

（中國城市建設(shè)研究院有限公司蘭州分院， 甘肅 蘭州 730000）

1 介紹

本文分析的新型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是在普通單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中引入預張力索而成[1]。相對于傳統(tǒng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，這類新型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的通透性更好、承載能力更高、材料用量更省。因此，這種新型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)自提出以來已有不少工程應(yīng)用。除了實際工程應(yīng)用之外，相應(yīng)的研究工作也開展不少。這些研究包含基于連續(xù)殼體理論對其線性屈曲荷載的估計，極限承載能力分析，缺陷敏感性分析以及試驗研究等[2-4]。本文結(jié)合線性和非線性屈曲分析對新型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性能展開研究，重點考察其極限承載能力及影響因素。本文的分析依靠通用有限元軟件ANSYS 完成。

2 分析模型

如前所述，本文研究的新型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是在普通單層網(wǎng)殼的基礎(chǔ)上引入預張力索而成。為此，本文同時分析了普通單層網(wǎng)殼和新型單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性能。圖1 所示為普通單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的分析模型。如圖1 所示，該單層網(wǎng)殼為一球面網(wǎng)殼，其跨度為80 m，矢高位10 m，網(wǎng)格尺寸為4 m。本文研究的新型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)即是在圖1 所示的普通單層網(wǎng)殼中引入斜向拉索而成。

圖1 普通網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

本文僅考慮在均布荷載下這類結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性能，且分析時將初始缺陷取為跨度的1/300。網(wǎng)殼所有桿件均采用圓鋼管，鋼管外徑為351 mm，厚度為10 mm。鋼管采用Q345 鋼，其彈性模量和泊松比分別為2.06x1011Pa 和0.3，拉索彈性模量為1.6x1011Pa。有限元分析時，采用梁單元模擬網(wǎng)殼，而采用只拉單元模擬拉索。

3 線性屈曲分析

圖2 所示為普通網(wǎng)殼和新型網(wǎng)殼的屈曲荷載比較。對于傳統(tǒng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其最低屈曲荷載約為7.5kN/m2，而新型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的屈曲荷載大致為13kN/m2。顯然，引入拉索之后傳統(tǒng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的屈曲荷載會得以顯著提高，尤其是對于高階屈曲而言，其屈曲荷載大致會提高至原始承載能力的2 倍左右。

4 參數(shù)分析

4.1 拉索面積的影響

拉索面積是影響新型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性能的一大因素，本文通過改變拉索直徑反復計算的方式考察其影響。在本文的分析中，拉索面積由116.24 mm2變化到355.98 mm2。圖3 所示為不同拉索面積時普通網(wǎng)殼和新型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的荷載-位移全過程曲線?？梢钥闯?，引入預張力索之后，普通單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的承載能力得以提高。同時，拉索截面積越大，對應(yīng)的承載能力越高。

圖3 不同拉索面積下網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的荷載-位移全過程曲線

4.2 初始預應(yīng)力的影響

與上節(jié)類似，本節(jié)重點考察初始預應(yīng)力對這類結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能的影響。在本節(jié)的分析中，初始預應(yīng)力由100 MPa 變化到400 MPa。圖4 所示為不同初始預應(yīng)力下普通網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和新型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的荷載-位移全過程曲線?？梢钥闯?，引入預張力索之后，普通單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的承載能力得以提高。同時，初始預應(yīng)力越大，對應(yīng)的承載能力越高。

圖4 不同初始預應(yīng)力時網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的荷載-位移全過程曲線

5 結(jié)論

本文對一種引入預應(yīng)力索的新型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性能進行了分析，重點考察了其承載能力。分析表明，這類新型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的承載能力顯著高于普通單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。此外，增大拉索截面積和提高初始預應(yīng)力水平可以顯著提升其承載能力。