雙層球面網(wǎng)殼索穹頂組合結(jié)構(gòu)分析

《雙層球面網(wǎng)殼索穹頂組合結(jié)構(gòu)分析》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。

1、第七屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會雙層球面網(wǎng)殼一索穹頂組合結(jié)構(gòu)分析袁娜殷志祥(遼寧_[程技術(shù)大學(xué)土建學(xué)院，阜新123000)摘要：網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)具有剛度大、造型豐富美觀．是犬跨度、大空M結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)形式之一，但是與張拉結(jié)構(gòu)相比其用鋼量較大。而索穹頂結(jié)構(gòu)作為目前發(fā)展起來效率極高的結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)自重輕、跨度大、經(jīng)濟(jì)效益非常明顯．本文結(jié)合網(wǎng)殼和索穹頂這兩種結(jié)構(gòu)形式的各自特定提出一種新的結(jié)構(gòu)形式．即雙層球面嘲殼一索穹頂組合結(jié)構(gòu)。組臺結(jié)構(gòu)中間是索穹頂結(jié)構(gòu)周邊是網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，相比同樣尺寸的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)用鋼量大大減少了，為了使結(jié)構(gòu)的剛度更大在每個

2、連接處分別引出兩道索使網(wǎng)殼部分和索穹頂部分能更好的協(xié)調(diào)工作。本文以非線性有限元為理論基礎(chǔ)，應(yīng)用軟件ANsYs建模進(jìn)行分析，分別對組合結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼和索穹項結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算模擬，結(jié)構(gòu)證明組合結(jié)構(gòu)的位移值和桿件內(nèi)力值較網(wǎng)殼和索穹頂結(jié)構(gòu)大，其中兩個部分連接處的節(jié)點和桿件內(nèi)力變化較大。關(guān)鍵詞：網(wǎng)殼一索穹頂組合結(jié)構(gòu)，非線性有限元．位移分析，內(nèi)力分析一、引言球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是大跨度空間結(jié)構(gòu)應(yīng)用較廣的結(jié)構(gòu)形式之一，它以最小的面積包圍最大的空問．受力合理，材料較省，整體剛度好，具有良好的抗震性能，且桿件比較單一，制作安裝方便：它既有曲線型的形式，

3、又兼有桿系和薄殼結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點和特性，常常作為標(biāo)志性建筑而為人們喜愛。索穹頂結(jié)構(gòu)是一種結(jié)構(gòu)效率極高的仝張力體系，由于索穹頂結(jié)構(gòu)除少數(shù)幾根桿件受壓外。其余桿件都處于張力狀態(tài)。所以充分發(fā)揮了鋼索的強(qiáng)度。如能避免柔性結(jié)構(gòu)有可能發(fā)生的結(jié)構(gòu)松弛，這種結(jié)構(gòu)絕無彈性失穩(wěn)之慮。其結(jié)構(gòu)自重輕、跨度大。它是一個自平衡的結(jié)構(gòu)體系，對下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計沒有特殊要求。索穹頂結(jié)構(gòu)造價與同類大跨結(jié)構(gòu)相比造價低，經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。如美國芝加哥國會大廳采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，跨度180米，耗鋼量128kg／m2而美國亞特蘭大96奧運(yùn)會主會場一喬治體育館采用索穹項結(jié)構(gòu)

4、．橢圓短軸長193Ⅲ，耗鋼量47kg／Ⅲ2僅占同等規(guī)模網(wǎng)架結(jié)構(gòu)耗鋼量的36．7％，節(jié)約鋼材63．3％。本文就是結(jié)合了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和索穹頂結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點提出了一種新的結(jié)構(gòu)形式即雙層球面網(wǎng)殼一索穹頂組合結(jié)構(gòu)，將網(wǎng)殼中間的部分用索穹頂取代，這樣大大減小了用鋼量，再者在受力分析上來說，它和周邊支撐部位的廊力最大，中間最小，隨著索穹頂結(jié)構(gòu)形式的快速發(fā)展由此想到了這種以組合網(wǎng)殼及索穹項為基礎(chǔ)一種組合結(jié)構(gòu)形式。它能夠發(fā)揮索穹頂?shù)牧W(xué)優(yōu)點即可以跨越大的跨度又能夠減小用鋼量，又能發(fā)揮網(wǎng)殼的性能?？紤]到兩者連接處會出現(xiàn)應(yīng)力過大的情況，在其連接點

5、處加了兩道索使其受力更加均勻。二、網(wǎng)殼一索穹頂組合結(jié)構(gòu)的非線·眭有限元分析基于索穹頂結(jié)構(gòu)的非線性有限元理論，本文提出的這種組合結(jié)構(gòu)也是基于非線性有限元理論進(jìn)行靜力分析，其中在索穹頂分析中(1)幾何上表現(xiàn)為大變形，具有較強(qiáng)的兒何非線性：(z)拉索的自重垂度不容忽略．很顯然若將拉索和受壓桅桿均處理為兩節(jié)點鉸接桿單元進(jìn)行計算，將得不到滿意的精度．(3)將拉索處理為五節(jié)點等參數(shù)曲線單元，利用四次多項式來模擬拉索的自重垂度曲線，而對于受壓桅桿則采用文獻(xiàn)[3]的兩節(jié)點鉸接桿單元模型，這樣建立的索穹頂結(jié)構(gòu)非線性有限元方程為：工業(yè)建筑

6、2007增刊K7△“=尸一只一e第七屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會式中，X丁為結(jié)構(gòu)的總體剛度矩陣，可由拉索及桅桿單元的剛度矩陣集合而成：P為外荷載向量：Pu為初應(yīng)力向量：Pr為考慮位移高階量影響的不平衡力向量，本文采用增量迭代法進(jìn)行非線性有限元求解，其具體求解步驟如下：1)假設(shè)初始位移為零，將整個荷載分為n個等級：2)按照初始初內(nèi)力，求結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣如3)以K0為初值．利用迭代法求解在外荷載增量{△P‘}作用下的位移增量{△占1}，同時求得此時單元內(nèi)力(包括初內(nèi)力){N。)：同時修正結(jié)構(gòu)在新狀態(tài)下的節(jié)點也標(biāo)：4)根據(jù)單

7、元新狀態(tài)下的內(nèi)力及結(jié)構(gòu)形狀修正整體剛度矩陣，且求出新狀態(tài)下的節(jié)點不平衡力以重新求解結(jié)構(gòu)的位移增最，不斷霞復(fù)3)，4)步，直全節(jié)點小平衡力充分小迭代收斂。自J果在加載過程中出現(xiàn)索松弛現(xiàn)象或是索斷現(xiàn)象，‘那么不考慮這些索單元對以后的整體切線剛度矩陣貢獻(xiàn)；5)繼續(xù)下一個荷載步，重復(fù)2)、3)、4)步．用迭代法求出每一個荷載步節(jié)點位置和單元內(nèi)力，直至第n個荷載步。三、算例分析(一)各種模型的建立(1)索穹頂模型的建立模型結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，其中索Ac坡度為1：20：索cE坡度為l：7．5：索EG坡度為l：5：索GI坡度為l：3

8、．53。索的彈性模量取1．8x108KN／時，壓桿和中心剛性環(huán)的彈性模量都取2．1×108KN／m1．中心剛性環(huán)取29號工字鋼，各索的初始水平張力為：HHl-34KN，‰．=66f(N，‰=22，‰=44kN，HDE=14．7州．‰=29．4kN．眥=6．8kN，‰=22．6kN：環(huán)索的水平張力為：‰=87．14l【N，HF=56