双层球面网壳索穹顶组合结构分析

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1、第七届全国现代结构工程学术研讨会双层球面网壳一索穹顶组合结构分析袁娜殷志祥(辽宁_[程技术大学土建学院，阜新123000)摘要：网壳结构具有刚度大、造型丰富美观．是犬跨度、大空M结构的主要结构形式之一，但是与张拉结构相比其用钢量较大。而索穹顶结构作为目前发展起来效率极高的结构体系，结构自重轻、跨度大、经济效益非常明显．本文结合网壳和索穹顶这两种结构形式的各自特定提出一种新的结构形式．即双层球面嘲壳一索穹顶组合结构。组台结构中间是索穹顶结构周边是网壳结构，相比同样尺寸的网壳结构用钢量大大减少了，为了使结构的刚度更大在每个

2、连接处分别引出两道索使网壳部分和索穹顶部分能更好的协调工作。本文以非线性有限元为理论基础，应用软件ANsYs建模进行分析，分别对组合结构、网壳和索穹项结构进行计算模拟，结构证明组合结构的位移值和杆件内力值较网壳和索穹顶结构大，其中两个部分连接处的节点和杆件内力变化较大。关键词：网壳一索穹顶组合结构，非线性有限元．位移分析，内力分析一、引言球面网壳结构是大跨度空间结构应用较广的结构形式之一，它以最小的面积包围最大的空问．受力合理，材料较省，整体刚度好，具有良好的抗震性能，且杆件比较单一，制作安装方便：它既有曲线型的形式，

3、又兼有杆系和薄壳结构的主要优点和特性，常常作为标志性建筑而为人们喜爱。索穹顶结构是一种结构效率极高的仝张力体系，由于索穹顶结构除少数几根杆件受压外。其余杆件都处于张力状态。所以充分发挥了钢索的强度。如能避免柔性结构有可能发生的结构松弛，这种结构绝无弹性失稳之虑。其结构自重轻、跨度大。它是一个自平衡的结构体系，对下部结构的设计没有特殊要求。索穹顶结构造价与同类大跨结构相比造价低，经济效益非常明显。如美国芝加哥国会大厅采用网架结构，跨度180米，耗钢量128kg／m2而美国亚特兰大96奥运会主会场一乔治体育馆采用索穹项结构

4、．椭圆短轴长193Ⅲ，耗钢量47kg／Ⅲ2仅占同等规模网架结构耗钢量的36．7％，节约钢材63．3％。本文就是结合了网壳结构和索穹顶结构的优缺点提出了一种新的结构形式即双层球面网壳一索穹顶组合结构，将网壳中间的部分用索穹顶取代，这样大大减小了用钢量，再者在受力分析上来说，它和周边支撑部位的廊力最大，中间最小，随着索穹顶结构形式的快速发展由此想到了这种以组合网壳及索穹项为基础一种组合结构形式。它能够发挥索穹顶的力学优点即可以跨越大的跨度又能够减小用钢量，又能发挥网壳的性能。考虑到两者连接处会出现应力过大的情况，在其连接点

5、处加了两道索使其受力更加均匀。二、网壳一索穹顶组合结构的非线·眭有限元分析基于索穹顶结构的非线性有限元理论，本文提出的这种组合结构也是基于非线性有限元理论进行静力分析，其中在索穹顶分析中(1)几何上表现为大变形，具有较强的儿何非线性：(z)拉索的自重垂度不容忽略．很显然若将拉索和受压桅杆均处理为两节点铰接杆单元进行计算，将得不到满意的精度．(3)将拉索处理为五节点等参数曲线单元，利用四次多项式来模拟拉索的自重垂度曲线，而对于受压桅杆则采用文献[3]的两节点铰接杆单元模型，这样建立的索穹顶结构非线性有限元方程为：工业建筑

6、2007增刊K7△“=尸一只一e第七届全国现代结构工程学术研讨会式中，X丁为结构的总体刚度矩阵，可由拉索及桅杆单元的刚度矩阵集合而成：P为外荷载向量：Pu为初应力向量：Pr为考虑位移高阶量影响的不平衡力向量，本文采用增量迭代法进行非线性有限元求解，其具体求解步骤如下：1)假设初始位移为零，将整个荷载分为n个等级：2)按照初始初内力，求结构整体刚度矩阵如3)以K0为初值．利用迭代法求解在外荷载增量{△P‘}作用下的位移增量{△占1}，同时求得此时单元内力(包括初内力){N。)：同时修正结构在新状态下的节点也标：4)根据单

7、元新状态下的内力及结构形状修正整体刚度矩阵，且求出新状态下的节点不平衡力以重新求解结构的位移增最，不断霞复3)，4)步，直全节点小平衡力充分小迭代收敛。自J果在加载过程中出现索松弛现象或是索断现象，‘那么不考虑这些索单元对以后的整体切线刚度矩阵贡献；5)继续下一个荷载步，重复2)、3)、4)步．用迭代法求出每一个荷载步节点位置和单元内力，直至第n个荷载步。三、算例分析(一)各种模型的建立(1)索穹顶模型的建立模型结构尺寸如图2所示，其中索Ac坡度为1：20：索cE坡度为l：7．5：索EG坡度为l：5：索GI坡度为l：3

8、．53。索的弹性模量取1．8x108KN／时，压杆和中心刚性环的弹性模量都取2．1×108KN／m1．中心刚性环取29号工字钢，各索的初始水平张力为：HHl-34KN，‰．=66f(N，‰=22，‰=44kN，HDE=14．7州．‰=29．4kN．眦=6．8kN，‰=22．6kN：环索的水平张力为：‰=87．14l【N，HF=56