某空腹球面網殼結構靜力特性分析

陳春紅 唐 婷

(1、貴州民族大學建筑工程學院，貴州 貴陽 550025 2、貴州民族大學地質災害防治工程技術研究中心貴州，貴陽 550025 3、貴州大學明德學院，貴州 貴陽 550025)

中圖分類號：G322 文獻標識碼：B 文章編號1007-6344（2015）09-0115-01

某空腹球面網殼結構靜力特性分析

陳春紅＊1，2唐 婷2

(1、貴州民族大學建筑工程學院，貴州 貴陽 550025 2、貴州民族大學地質災害防治工程技術研究中心貴州，貴陽 550025 3、貴州大學明德學院，貴州 貴陽 550025)

中圖分類號：G322文獻標識碼：B文章編號1007-6344（2015）09-0115-01

通過建立球面空腹網殼有限元模型，研究了球面空腹網殼結構在靜荷載作用下內力分布規律，提取了該類結構的內力云圖，然后總結分析了該類網殼結構內力特征，鑒于該結構的對稱性，選取其中一榀具有代表性的空腹拱進行分析總結，對鋼架的桿件內力進行對比，對該類結構的上弦桿，下弦桿和腹桿的內力特征對比，對該類結構設計提供理論依據。

空腹球網殼結構；靜內力分析；桿件內力特性

0 引言

常規網殼雖具有剛度大，跨越較大空間，造型優美等特點，但也存在一些不足[1～3]：相鄰桿件間夾角受限，使結構厚度增大；桿件稠密；用鋼量大等。空腹網殼結構能較好的解決上述問題。空腹網殼結構是根據格構式壓桿的工作原理，將單層網殼的桿件用格構式壓桿替代得到的一種新型網殼結構。總的來說，就是通過改變桿件在空間的布置，使結構兼具空腹和拱兩類結構的優點從而改善受力性能，如圖1所示。

1 空腹球面網殼的有限元模型及參數選擇

1.1 模型設計

按照空間網格結構的一般原則[4～6]，本文選取的球面空腹網殼計算模型跨度L為42m，矢跨比f/L為1/5，網殼厚度h為0.9m。鑒于結構具有多條對稱軸，故整體分析后取結構1/4模型進行分析，為便于分析內力特征，分別取具有代表性的橫向空腹拱截面I-I，縱向空腹拱由跨中向支座上下弦桿依次編號為1～8號桿件，腹桿依次編號為01～09號桿件（圖1）。

圖1 球面空腹網殼1/2單元和計算模型（1/4單元桿件編號）

1.2 模型參數

空腹網殼為空間剛接桿系結構，模型桿件均選用空間梁單元Beam4模擬，材料屬性彈性模量E=2.06×1011N/m2，泊松比0.3，材料密度7850kg/m3；外荷載恒載取0.5kN/m2，活載取0.5kN/m2，考慮荷載組合“1.2恒+1.4活”，考慮工況：自重+外荷載，轉化為上弦桿節點荷載后施加在上弦節點荷載取7.5kN。

2 結構靜內力分布特征

圖1(1)～(9)列出了球面空腹網殼結構1/4模型的上、下弦桿及腹桿的內力圖，選取的空腹拱整理得到靜內力見表1。由表1可知，桿件總體軸力較大，與肋桿相比，空腹網殼環向桿和腹桿內力較小，每一節間彎矩均存在反彎點。分別取空腹球面網殼跨中空腹拱上、下弦和腹桿為研究對象，所選單元上的桿件呈現的內力特征分析如下：

一、腹桿內力特征：據圖1中(1)～(3)和表1可知，上述腹桿均以承受剪力為主，彎矩值較小，這與空腹網殼結構的內力特性基本一致；由跨中至邊緣支座剪力值逐漸增大，腹桿最大值出現在支座附加。腹桿的內力總體偏小，腹桿在支座附加增大的原因在于在支座附近結構剪力較大，腹桿主要傳遞剪力。因此支座附近的腹桿設計時應引起重視。

圖2 空腹球面網殼結構桿件內力圖(結構1/4單元)

二、上弦桿靜內力特征：據圖1中(4)～(6)和表1可知，所選對稱單元的上弦桿主要承受壓力，在壓力總體分布上，肋桿跨中大邊緣小；環桿內力相對肋桿內力值較小，跨中下而邊緣大，且支座邊緣的環桿承受較大拉力；跨中截面上桿件壓力最大，整個單元上環向弦桿（整體坐標系下）桿件壓力值明顯大于拱向桿件；另外，跨中截面兩側環向桿件承受拉力；在剪力分布上，該部分桿件所受剪力值較小（與受壓相比），較大的剪力出現在各支座附近；在彎矩分布方面，該部分桿件所受力矩值較小，較大的力矩分布在各支座附近。

表1 空腹球面網殼I-I截面桿件靜內力對比

三、下弦桿件靜內力特征：據圖1中(7)～(9)和表1可知，空腹球面網殼對稱單元的大多數下弦拱向桿承受拉力，相比環向桿件，拱向桿件承擔了大部分內力，肋桿沿跨中至邊緣支座桿件內力逐漸增大，逐漸有受拉桿向壓桿過度，相比環桿受力明顯較小，最大拉力出現在跨中拱向桿件上，最大壓力主要分布最外環肋桿桿件上。下弦最外圈桿件由于與支座連接，相比上弦內力較小。

3 結論

本章通過建立跨度為 42m球面空腹網殼模型，進行了靜力分析，選取了 1/4模型，得出主要結論為如下：

(1) 通過對球面空腹網殼靜力分析，桿件內力與軸力相比，網殼桿件靜彎矩均較小，由球面空腹網殼在靜荷載作用下的內力圖可知，桿件總體軸力較大，與肋桿相比，空腹網殼環向桿和腹桿內力較小，每一節間彎矩均存在反彎點。

(2) 空腹球面網殼剪力主要依靠腹桿傳遞，應重視制作附近腹桿的設計，雖然空腹網殼是空間結構，屬于空間整體受力，但拱向上弦下弦桿件是主要的受力構件，環向桿件受力較小，主要是承受拱向桿件平面外受力，環向最外圈內力較大，設計時應引起重視。

（References）

[1]馬克儉等. 新型建筑空間網格結構理論與實踐[M]. 北京:人民交通出版社,2006.

[2]馬克儉,黃勇等. 肋環形球面空腹網殼結構的靜力性能分析[J]. 北京:空間結構,2009,15(2):3-9.

[3]董石麟等.新型空間結構分析、設計與施工[M].北京:人民交通出版社,2006,10.

[4]空間網格結構技術規程(JGJ 7-2010) [Z]. 北京:北京建筑工業出版社,2010.

[5]冷彎薄壁型鋼結構技術規范(GB50018-2003) [Z]. 北京:中國計劃出版社,2003

[6]鋼結構設計規范(GB50017-2003) [Z]. 北京:中國計劃出版社,2003

貴州省科學技術基金項目（聯合基金），黔科合J字LKM[2013]12號

陳春紅(1986- )，男，工學碩士，研究方向：結構工程*通訊作者：陳春紅，Email：cch2008599@sohu.com