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1、空腹网壳结构的静力稳定性与极限承载力研究2008年????9月第29卷??第3期郑州大学学报(工学版)JournalofZhengzhouUniversity(EngineeringScience)Sep????2008Vol??29??No??3????文章编号:1671-6833(2008)03-0099-04杜文风,朱黎明,张??慧,杨国忠(河南大学土木建筑学院,河南开封475004)摘??要:针对空腹网壳结构的静力稳定性及其极限承载力问题,应用非线性有限元法进行了研究.采用特征值屈曲分析和非线性屈曲分析两种分析方式考查了空腹网壳结构的屈曲模态和失稳全过程,通过大规模的几何参
2、数分析,计算得到了矢跨比、网壳厚度、腹杆截面等参数取不同数值时的结构极限承载力,并与单层网壳结构进行了对比.结果表明,空腹网壳结构以整体失稳为主,在用钢量相同的情况下极限承载力比单层网壳结构提高2.87倍.空腹网壳结构既具有单层网壳结构简洁美观,又有双层网壳结构的稳定性好和承载力高的优点,是一种优良的结构形式.关键词:空腹网壳结构;几何非线性;极限承载力;单层网壳结构中图分类号:TU356??????文献标识码:A0??引言网壳结构是一种曲面形空间网格结构,有单层网壳和双层网壳之分,是大跨度空间结构中一种举足轻重的主要结构形式[1]计算得到了不同矢跨比、网壳厚度、腹杆截面配置的结构
3、极限承载力,并为了了解空腹网壳结构与其它类型空间结构力学性能的相对情况,与单层网壳结构进行了对比分析..单层网壳结构形式美观,结构简单,但是它的稳定性问题突出,材料的强度不能充分发挥.双层网壳结构受力性能较好,但杆件繁多,影响建筑效果.空腹网壳结构是在双层网壳结构的基础上引入空腹的概念,去除斜腹杆而形成的一类现代新型空间网壳结构,可以达到单层网壳结构杆件清晰的效果,又可以改善单层网壳结构的稳定问题.自2006年我国采用空腹网壳结构建成标志性建筑国家大剧院以来,这类结构引起学者的广泛关注.之前,只有1990年建造完毕的日本秋田天空穹顶采用了空腹网壳结构.目前对空腹网壳结构的研究文献较
4、少,文献[2]对空腹网壳结构的静动力性能作了基础性的研究,文献[3]对空腹网壳结构进行了抗震分析,了解了空腹网壳结构抗震性能,但分析时参数较少.由于空腹网壳结构是由多榀空腹拱结构组成的,文献[4]对空腹拱结构进行了力学性能分析,对理解空腹网壳结构的传力机制和承载特点提供了帮助.为了深入掌握空腹网壳结构的静力稳定性和其极限承载力,笔者进一步应用非线性有限元法进行了研究,????收稿日期:2008-04-18;修订日期:2008-06-26[2-3]1??计算模型及参数分析方案为了说明空腹网壳结构的受力性能和特点,选择平面圆形正交空腹网壳结构为研究对象,如图1所示.结构跨度120m,网
5、壳厚度2m,网格水平面投影尺寸6m??6m,支承条件为圆周各节点三向铰支;模型的矢跨比H/L、网壳厚度、腹杆截面尺寸为可变参数.考虑初始缺陷时,施加最大缺陷为L/300的一致模态缺陷(取特征值屈曲的第一阶).2??静力稳定性分析2.1??分析方法静力稳定性分析是网壳结构研究的关键问题.稳定性分析的目的是确定结构从稳定的平衡状态变为不稳定的平衡状态时的临界荷载及屈曲模态形状.普遍采用的两种方法是理想结构的特[5]征值屈曲分析和非线性全过程屈曲分析.特征值屈曲分析用于预测一个理想弹性结构的理论屈曲强度,优点是无须进行复杂的非线性分析,即可获得结构的临界荷载和屈曲形状,并可为非线性屈曲分
6、析提供可供参考的荷载值.非线性屈曲分????资助项目:国家自然科学基金资助项目(50478079);河南大学校自然科学基金资助项目(07YB2R035)????作者简介:杜文风(1981-),男,吉林榆树人,河南大学讲师,博士,研究方向为空间结构,E??mai:ldw@fhenu.edu.cn.??100郑州大学学报(工学版)2008年析则考虑网壳变形对结构内力的影响,网壳的平衡方程建立在变形以后的基础上,它比较真实地反映了结构的实际情况,笔者采用了空间梁元及弧长法对非线性平衡路线进行跟踪,研究结构的[6]稳定特性.2.2??空腹网壳结构特征值屈曲模态要掌握一个结构的非线性极限承载
7、力的变化规律,对该结构的特征值屈曲研究是有必要的.基本结构的前四阶特征值屈曲模态如图2所示.特征值屈曲模态的分析结果显示,正交空腹网壳结构的前几阶屈曲模态都以整体屈曲为主,这与单层网壳结构局部屈曲有很大不同,表明结构的整体刚度较好;另外分析第一阶屈曲模态表明,该结构的扭转变形很大,曲面内的剪切刚度不足.2.3??参数分析矢跨比是壳体类结构一个敏感参数,它的大小直接影响结构的受力性能,取下列4种矢跨比H/L=1/5,1/6,1/7,1/8进行分析;取第一阶特征值屈曲模态
