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1、第7卷第1期空间结构Vol.7No.12001年3月SPATIALSTRUCTURESMar.2001[文章编号]100626578(2001)0120025209凯威特型局部双层网壳结构特性分析陈务军,董石麟,付功义,龚景海,何艳丽(上海交通大学空间结构研究中心,上海200030)[摘要]本文探讨了凯威特型网壳局部双层形式的构成原则、几何特点,给出了五种典型的局部双层网壳形式,并对这些结构的几何非线性受力特征、经济指标等进行了深入的分析,并与对应的单层和双层网壳作了比较。根据分析结果,得出了一些具有实际应用价值的结论。[关键词]凯威特型网壳;局部双层网壳;几何非线性分析[中图分类号]TU3
2、1112[文献标识码]A1引言凯威特型网壳结构网格均匀,刚度大,是一种应用最为广泛的网壳结构形式之一。但是双层网壳杆件、节点数量大,杆件视觉效果不好,单层网壳的稳定性能较差。根据结构主要传力路线特点、建筑美观以及经济指标,将双层网壳结构的下弦、腹杆大幅度抽空或在单层网壳局部区域增加下弦杆和腹杆构成双层,从而形成具有受力合理、结构性能优异、形式简洁美观、经济实用的局部双层网壳结构形式。局部双层网壳的形式非常丰富,文[1]介绍了叉筒网壳的局部双层形式,文[2]分析了园柱面局部双层网壳,文[3]则以K6—4的一种局部双层作为分析模型,文[4]介绍了凯威特型的两种局部双层形式。本文深入探讨了凯威特型
3、局部双层网壳的构成原则、几何特点,给出了五种典型的局部双层网壳形式,并对这些结构进行了详细的分析,与对应的单层和双层网壳作了比较。根据分析结果,得出了一些具有实际参考意义的结论。[收稿日期]2000207212[基金项目]国家自然基金资助项目(59895410,5.3.5)[作者简介]陈务军(1969—),男,重庆云阳人,上海交大博士后,主要从事空间结构分析理论研究。董石麟(1932—),男,浙江杭州人,中国工程院院士,博导,长期从事空间结构方面的教学,理论研究及工程实践工作。252001年陈务军等:凯威特型局部双层网壳结构特性分析第1期2凯威特型网壳局部双层形式局部双层网壳形式的决定因素为
4、:建筑要求,结构体系,经济指标。形成方法主要为:由双层网壳大幅度抽空或单层网壳局部设置双层。凯特威型网壳局部双层形式可由对应双层网壳按照一定的规律抽去下弦节点、下弦杆和腹杆形成。图1凯威特型局部双层形式A图2凯威特型局部双层形式B将典型的双层网壳上弦纬向节点隔圈删除一圈,但保留主经向每圈下弦节点,同时移去与这些删除节点连接的下弦杆和腹杆,形成如图1(透视和平面图)所示局部双层形式(上弦为实线,腹杆为虚线,下弦杆为点划线),上弦节点与两根或三根腹杆相连。如进一步抽去腹杆,使上弦节点与一根或两根腹杆相连,则形成如图2示网壳。经分析发现,此时如果六个主经向为平面桁架形式,虽然每个上弦节点至少有一根
5、腹杆相连,但结构仍具有内部自由度,因此,主经向必须为空间桁架,即与主经向下弦节点连接的腹杆保留。图3凯威特型局部双层形式C图4凯威特型局部双层形式D如图3,将典型双层网壳下弦沿主经向或次经间隔抽去节点、与该节点连接的下弦杆和腹杆,上弦节点与两个或三个腹杆连接。对这种体系,可进一步抽去一部分腹杆,但必须保证体系的稳定。虽然前三种体系及其变种形式下弦和腹杆都大幅度抽空,但上弦节点至少有一个或两个腹杆连接,结构为铰接稳定体系。图4局部双层仅保留六个主经向下弦节点、下弦杆和与节点连接的腹杆,上弦分成六个单层区域,该体系类似拱支结构。图5的顶部为单层结构,底部为双层,其间有一圈由双层向单层过渡。体系D
6、和E单层区域铰接时,结构仍为稳定体系,但单层节点(没有腹杆连接)刚接可提高结构的刚度。便于比较,将双层和单层网壳视为两种特殊的局部双层形式F和G,如图6。262001年空间结构第1期图5凯威特型局部双层形式E图6凯威特型局部双层形式F和G3结构分析方法杆系结构几何非线性分析单元列式主要有:基于梁柱理论(Column2Beam)并引入稳定函数的Oran列式,非线性有限元列式(FEM)以及共转列式(Co2rotationalFormulation),有限元[225]法又分T1L和U1L列式。本文采用动坐标迭代的U1L列式,其杆单元和梁单元的刚度矩阵详细列式见文[5],结构增量平衡方程可简记为[K
7、]{$u}=$K{f}(1)式中[K]为U1L列式的结构切线刚度矩阵,{$u}为增量位移向量,{f}为载荷参考矢量,$K为荷载增量参数。平衡路径的跟踪是非线性结构分析的关键技术,目前主要有:结合NRM或mNRM的弧长法、位移增量法、动态松驰法等。本文采用在Matlab集成环境下实现,并改进和提高效率的广义增量法[6]。假设网壳结构中有腹杆连接的节点为铰接,无腹杆连接的节点为刚接,两端铰接的杆件为常规杆单元,两
