鋁合金單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能研究

張鳳起 齊 麟

(中國民航大學(xué)機場學(xué)院，天津 300300)

0 引言

近年來，在國內(nèi)鋁合金材料成功應(yīng)用于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的工程案例日益增多，如上海國際體操中心、重慶渝北空港體育館、長沙招商服務(wù)中心、天津平津紀(jì)念館、武漢體育學(xué)院綜合體育館等[1]。鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性能研究成為了熱點。

相比于國外，我國對鋁合金材料性能及鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性能的研究仍處于起步階段。王亞昌等推導(dǎo)了考慮幾何和材料雙重非線性影響的空間梁單元切線剛度矩陣,并使用自編程序進(jìn)行了網(wǎng)殼穩(wěn)定承載力的理論計算,提出應(yīng)對鋁合金單層網(wǎng)殼選擇合適的節(jié)點形式并進(jìn)行非線性穩(wěn)定驗算[2]。郭小農(nóng)等對鋁合金板式節(jié)點的承載力進(jìn)行理論分析，提出了節(jié)點板塊狀拉剪破壞的承載力計算公式及鋁板式節(jié)點的實用構(gòu)造要求[3]。曾銀枝和HIYAMA等分別對鋁合金板式節(jié)點網(wǎng)殼和鋁合金螺栓球節(jié)點網(wǎng)殼進(jìn)行了試驗研究，并取得了一定的成果，得出鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在進(jìn)行力學(xué)分析時,其力學(xué)模型與鋼網(wǎng)殼一樣,均可以非線性空間梁單元作為計算單元，為鋁合金網(wǎng)殼在我國的推廣使用提供分析和設(shè)計依據(jù)[4,5]。本文主要研究矢跨比、結(jié)構(gòu)網(wǎng)格密度、邊界支承條件和初始缺陷對單層鋁合金柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響,為鋁合金單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供分析和設(shè)計的依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)模型采用三向網(wǎng)格單層柱面網(wǎng)殼，鋁合金材料采用通用的6061-T6牌號，其彈性模量E=70 000 MPa，剪切模量G=27 000 MPa。設(shè)計強度f=200 MPa，名義屈服強度f0.2=160 MPa，泊松比為0.3。桿件截面為H型，節(jié)點連接方式為板式節(jié)點連接。荷載主要考慮恒荷載和活荷載，恒荷載考慮為面荷載0.2 kN/m2，節(jié)點自重考慮20%，活荷載考慮為面荷載0.5 kN/m2，方向均為重力方向。

影響鋁合金單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定承載性能的因素有很多，包括矢跨比、結(jié)構(gòu)網(wǎng)格密度、邊界支承條件和初始缺陷等。通過MIDAS軟件對各影響參數(shù)的改變，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析得出各種參數(shù)影響下的荷載—位移曲線。

2 矢跨比對穩(wěn)定性的影響

分析矢跨比對鋁合金柱面網(wǎng)殼整體穩(wěn)定承載性能的影響，算例中網(wǎng)殼跨度選取30 m和45 m，長度分別為66 m，90 m，桿件截面尺寸分別為H300×200×10×12和H400×300×12×15，兩種不同跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)分別考慮1/5，1/6,1/7,1/8,1/9和1/10等6種矢跨比情況。由圖1，圖2可知，隨著矢跨比的減小，柱面網(wǎng)殼穩(wěn)定承載力而降低;當(dāng)矢跨比為1/5時，柱面網(wǎng)殼整體穩(wěn)定承載力達(dá)到最大值，30 m跨度其荷載系數(shù)為6.65，45 m跨度其荷載系數(shù)為4.99。

3 網(wǎng)格密度對穩(wěn)定性的影響

算例中鋁合金柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)參數(shù)為：跨度取30 m，長度為66 m，桿件截面尺寸為H300×200×10×12，矢跨比為1/5。網(wǎng)格密度分別考慮縱向分割間距為2 m,3 m,4 m進(jìn)行模擬計算。

圖3為網(wǎng)格密度縱向分割間距為2 m,3 m,4 m的柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)荷載—位移曲線，荷載系數(shù)分別為8.31,6.65,10.9。以網(wǎng)格密度3 m為例，可見適當(dāng)?shù)母淖兙W(wǎng)格密度，也可以提高穩(wěn)定安全荷載系數(shù)。

4 支承條件對穩(wěn)定性的影響

圖4，圖5給出了邊界支承條件為剛接對鋁合金柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)極限承載力的影響。算例中網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)邊界條件均為剛接，跨度選取30 m和45 m，長度分別為66 m，90 m，桿件截面尺寸分別為 H300×200×10×12和H400×300×12×15，兩種不同跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)分別考慮1/5，1/6，1/7，1/8，1/9和1/10等6種矢跨比情況。

為得出邊界支承條件對網(wǎng)殼極限承載力影響，將邊界條件剛接與鉸接結(jié)構(gòu)模型參數(shù)相同的鋁合金柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的荷載系數(shù)進(jìn)行匯總對比，其中鉸接邊界條件結(jié)構(gòu)荷載位移曲線見圖1，圖2，對比結(jié)果如表1,表2所示。

表1 30 m跨度邊界條件剛接與鉸接網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)荷載系數(shù)對比表

表2 45 m跨度邊界條件剛接與鉸接網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)荷載系數(shù)對比表

考慮邊界條件剛接后，兩縱邊支承的鋁合金柱面網(wǎng)殼整體穩(wěn)定承載力提高了1.25倍～1.38倍。且隨著矢跨比的增大，邊界條件對網(wǎng)殼穩(wěn)定承載力的影響越明顯。

5 初始缺陷對穩(wěn)定性的影響

考慮初始缺陷對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響，算例中跨度選取30 m和45 m，長度分別為66 m，90 m，桿件截面尺寸分別為H300×200×10×12和H400×300×12×15，矢跨比均為1/5的兩種結(jié)構(gòu)，初始缺陷分別考慮跨度的1/1 000，1/500，1/300，1/200，1/100和無初始缺陷6種分別進(jìn)行模擬計算。荷載系數(shù)見表3，考慮初始缺陷荷載—位移曲線見圖6，圖7。

表3 荷載系數(shù)匯總表

由圖6，圖7可知，對于無初始缺陷網(wǎng)殼，跨度30 m柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)其穩(wěn)定承載力系數(shù)為6.65;當(dāng)考慮跨度的1/1 000～1/100初始缺陷后，網(wǎng)殼穩(wěn)定承載力系數(shù)為3.27～2.69,降低了50.8%～59.5%。對于無初始缺陷網(wǎng)殼，跨度45 m柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)其穩(wěn)定承載力系數(shù)為4.99;當(dāng)考慮跨度的1/1 000～1/100初始缺陷后，網(wǎng)殼穩(wěn)定承載力系數(shù)為2.44～2.01,降低了51.1%～59.7%。通過以上圖表可以得出，隨著初始缺陷的增大，荷載系數(shù)隨著降低，這表明柱面網(wǎng)殼對初始缺陷比較敏感。

6 結(jié)語

1)矢跨比、結(jié)構(gòu)網(wǎng)格密度、邊界支承條件和初始缺陷對鋁合金柱面網(wǎng)殼整體穩(wěn)定性能具有不容忽視的影響。

2)小矢跨比鋁合金柱面網(wǎng)殼隨著矢跨比的增大，柱面網(wǎng)殼穩(wěn)定承載力增大，當(dāng)矢跨比為1/5時，柱面網(wǎng)殼整體穩(wěn)定承載力達(dá)到最大值。

3)適當(dāng)?shù)母淖冎婢W(wǎng)殼結(jié)構(gòu)網(wǎng)格密度，可以提高結(jié)構(gòu)的荷載系數(shù)，加大網(wǎng)格密度，也可以增大網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)跨度。

4)邊界支承條件剛性連接可以有效的提高鋁合金單層柱面網(wǎng)殼整體穩(wěn)定性。

5)考慮初始缺陷后，柱面網(wǎng)殼穩(wěn)定承載力急劇降低，柱面網(wǎng)殼對初始缺陷比較敏感。