拉杆球面网壳结构的选型及其稳定性研究

【摘要】：弦支体系不仅提高了单层网壳结构的稳定性,而且改善了网壳结构的受力性能、减小了对周边构件的依赖程度。近几十年来,在国内外得到了广泛的应用和推广。但是网壳顶部附近区域布置的拉索及撑杆对结构的稳定性并无太大的实际意义,对于内部拉索和撑杆的改良是有必要的,因此系统地研究了大跨度单层网壳结构的稳定性,提出了最优的结构方案,并给出了相应结构的“安全系数”。本文采用N阶特征缺陷模态法模拟节点偏差,研究了非对称(半跨均匀)荷载作用下对具有初始几何缺陷(节点偏差)的单层球面网壳稳定性的影响,利用有限元软件ANSYS对矢跨比分别为1/3、1/4、1/5、1/6和1/7的K8型单层球面网壳进行了荷载-位移非线性全过程分析。通过对网壳结构施加全跨缺陷、半跨缺陷、全跨荷载、半跨荷载不同组合作用的方法,可以判断结构对非对称荷载的敏感程度以及非对称荷载与初始几何缺陷对结构相互影响的关系。分析表明:单层球面结构在施加半跨缺陷和半跨荷载组合下的最不利缺陷模式均出现在前3阶,此状态下网壳的稳定极限承载力极低;矢跨比为1/5的K8型单层球面网壳结构受半跨缺陷影响较大,其稳定极限承载力下降最为显著;单层球面网壳结构全跨缺陷的最不利分布模式受荷载布置方式的影响较小;在非对称荷载作用下,初始几何缺陷的分布模式对单层球面网壳结构的稳定极限承载力影响较小。基于构形易损性理论,提出了判断矢跨比、初始几何缺陷等参数对极限承载力影响的指标,即节点构形度的差异系数。利用ANSYS对矢跨比分别为1/3、1/5和1/7的K6、K8型单层球面网壳进行了整体刚度矩阵的提取,并通过MATLAB自编程序计算得到节点构形度的差异系数,定性分析了各参数对极限承载力的影响与节点构形度的差异系数的关系。研究表明:判定初始几何缺陷和不对称荷载对单层网壳结构极限承载力影响的准则是节点构形度的差异系数越小,结构的极限承载力越大;通过对K6型和K8型单层球面网壳的稳定承载力进行计算,验证了提出的判别准则的适用性与合理性。提出的判别准则可推广至其他类型的大跨度空间结构当中。在弦支穹顶结构的基础上,将面外拉杆的概念引入至弦支穹顶当中,提出一种新型预应力空间结构体系——弦支拉杆网壳结构。利用ANSYS对矢跨比分别为1/3、1/5和1/7的两类弦支穹顶结构进行了三种拉杆方案的布置,通过特征值屈曲分析和非线性屈曲分析得到了不同结构的屈曲模态和失稳形式,同时分析了主肋撑杆长度、初始几何缺陷、不对称荷载、预应力和材料非线性等因素对其稳定性的影响,得到了不同情况下结构的极限荷载,找到了最优弦支拉杆方案。研究表明:该体系具有较高的稳定承载能力;弦支拉杆体系能有效提高外部区域的刚度,极大地减小了该区域的变形;弦支拉杆网壳的破坏形式具有一定的规律性,失稳区域均发生在设有拉杆的主肋上,且每根主肋上仅出现一个局部凹陷;极限承载力受非对称荷载、初始几何缺陷和材料非线性因素的影响较大,在实际工程中应予以重视;综合各个因素对弦支拉杆网壳结构的影响,确定出方案3为最优选择,即球面网壳在最外一圈布置弦支体系,在4根主肋下布置拉杆结构。当采用弹性全过程分析方法来计算弦支拉杆网壳结构极限荷载时,方案3的相应“安全系数”建议取值为6。