大跨單層鋁合金網殼整體穩定性分析

羅 焱 雷金虎

(四川省建筑工程質量檢測中心，四川 成都 610081)

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大跨單層鋁合金網殼整體穩定性分析

羅 焱 雷金虎

(四川省建筑工程質量檢測中心，四川 成都 610081)

以中國現代五項賽事中心游泳擊劍館為依托，通過彈性及非線性屈曲分析，探討了大跨單層鋁合金網殼在四種工況下的穩定性，得到了一些有價值的結論，為同類結構設計提供了理論依據。

單層網殼，鋁合金，屈曲模態，穩定性

0 引言

作為空間結構中最具代表性的類型之一，網殼結構同傳統的平面結構相比，具有結構構造新穎、受力更合理、重量更輕盈、造價更低、計算相對方便、應用廣泛等特點[1]，是建筑藝術和結構力學完美融合的成功創新。尤其在公共設施的空間需求越來越高的現代城市建設中，逐漸成為集功能性和觀賞性為一體的不可或缺的建筑風格[2]。

網殼結構可以采用各種殼體結構的曲面形式，在外觀上可以與薄殼結構一樣具有豐富的造型，無論是建筑平面、外形和形狀都能給設計師以充分的創作自由。薄殼結構與網格結構不能實現的形態，網殼結構幾乎都可以實現。既能表現靜態美，又能通過平面和立面的切割以及網格、支撐與桿件的變化表現動態美[3]，通過使結構動靜對比、明暗對比、虛實對比，把建筑美與結構美有機地結合起來，使建筑更易于與環境相協調。

本文以中國現代五項賽事中心游泳擊劍館為工程背景(建筑面積約24 400 m2，結構最高點高度34.7 m，下部主體結構采用鋼筋混凝土框架，屋蓋采用鋁合金(6061-T6)單層網殼結構)為計算分析對象對其穩定性進行分析。以期為此類結構的設計計算提供借鑒和參考，具有重要的工程實踐意義[4,5]。

1 工程概況

中國現代五項賽事中心游泳擊劍館的屋蓋采用鋁合金材料單層網殼，其平面俯視形狀近似于三角形，最大邊長約125.0 m，屋蓋結構被支撐在下部的鋼筋混凝土環梁之上。網殼網格為平面正三角形三向相交網格在圓球面上投影而成，網格邊長約為2.80 m，三角形網格高度不大于2.40 m。支座范圍內最大跨度約為90 m(有限元模型中，矢高約為8.50 m，矢跨比為1/10)。鋁合金構件僅采用以下兩種截面形式：用于跨中及懸挑部分的構件采用工字形截面450 mm×200 mm×8 mm×10 mm，主要用于支座附近受力較大的構件采用箱形截面450 mm×200 mm×8 mm×10 mm。與支座連接構件材料為鋼結構構件，其截面形式為箱形截面440 mm×200 mm×10 mm×10 mm。

2 彈性屈曲分析

彈性特征值屈曲分析雖然不能準確反映結構的穩定性，但有助于對結構整體穩定性的理解。其中，特征值屈曲分析得到的屈曲模態被作為初始幾何缺陷分布形態，作為非線性穩定分析的初值[6]。彈性特征值屈曲分析可以評估荷載布置對結構穩定性的影響。因此在進行結構整體非線性穩定分析前，進行線彈性特征值屈曲分析是十分必要的[7]。

2.1 荷載工況

計算中考慮以下四種工況對結構整體穩定性進行分析：工況一：恒荷載+滿跨活荷載；工況二：恒荷載+半跨活荷載；工況三：恒荷載+半跨活荷載；工況四：恒荷載+半跨活荷載。

2.2 分析結果

工況一,屈曲模態1發生的位置是網殼的中部，也就是均布荷載的中部，其一階屈曲模態K=11.37，其余屈曲模態有向周邊擴散的趨勢；工況二，屈曲模態1發生屈曲的位置是網殼的布載的中部，其一階屈曲模態K=11.00，屈曲模態2，3有向周邊擴散的趨勢；工況三、工況四也是屈曲模態1時屈曲發生在均布荷載的中部，隨著模態的增加，屈曲位置像均布荷載的四周。從各個工況的模態來看，其屈曲位置都是最先出現在荷載布置的中間位置，之后往兩邊擴散。從屈曲模態圖來看，該網殼結構對荷載的布置形態并不敏感，屈曲位置對應荷載的形態有規律可循。

由于以上四種工況其均布荷載的大小并沒有改變，只是荷載布置的位置不同，因此直接比較荷載因子即可。四種工況的荷載因子具體值并不大，都在11左右，其變化趨勢都是隨著屈曲模態的增加而增加，且從屈曲模態1～3并沒有太大的變化。這說明該網殼結構對荷載的布置方式并不敏感。

3 非線性屈曲分析

線性分析把結構的強度問題和穩定性問題分開考慮，對屈曲的判斷有一定的整體把握，要想更加準確的了解結構整體的抗屈曲能力，就得從非線性的角度入手，結合結構的強度和穩定性來考慮[8]，畢竟實際工程中的強度和穩定是有很強關聯性的。材料非線性和幾何非線性結合的屈曲分析可以提取節點的荷載—位移曲線[7]，通過這個曲線可以比較好的了解結構的穩定性和強度的變化歷程。

3.1 初始缺陷

采用一致缺陷模態法，利用最低階屈曲模態來模擬結構的初始缺陷分布，取其中第一階彈性屈曲模態作為結構初始缺陷的形狀[8]。采用通用有限元軟件ANSYS對以上四種工況進行考慮幾何及材料雙非線性屈曲分析。鋁合金和鋼材均選用常見的理想彈塑性模型，屈服強度分別取規范規定設計值，最大初始缺陷根據《網殼結構技術規程》選取最大跨度的1/300，為90/300=0.3 m。

3.2 非線性屈曲分析結果

選取迭代完畢后位移最大的節點來繪制全過程曲線作為整個結構的代表。

從四個工況的荷載位移曲線對比可以看出，形狀都相似且都具有很強的規律性，其第一個臨界點位移都在0.3 m之后則隨著荷載的增加結構位移增加的速度有所增大，不再按線性增加，增加速度明顯增大，直到位移達到0.6 m，這時結構達到臨界狀態，結構能承受的荷載緩慢的下降。這樣的結果對應著四類不同的布荷載方式，結果表明無論何種荷載布置其最不利點的荷載位移曲線形態大致相同，且臨界狀態的位移相同，這表明該大跨度網殼對荷載的布置方式并不敏感。同時曲線的下降段的切線斜率并不陡，這也意味著該網殼結構的失穩類型是極值點失穩，且這樣的設計安排使得該結構有著較強的抗失穩能力。從荷載因子比較來看，根據《空間網格結構技術規程》報批稿考慮幾何材料雙非線性，結構屈曲極限荷載特征值K>2，各種工況下計算結果均滿足規范要求。

4 結語

通過計算分析得出以下結論：

1)該網殼結構穩定性對荷載的布載方式并不敏感。

2)該網殼結構的非線性失穩類型是極值點失穩，抗失穩能力較強。

3)考慮材料和幾何雙非線性時，結構屈曲極限荷載特征值K均大于2，由此可以看出在外荷載作用下滿足規范要求。

[1] 秦 琪.某雙層橢球面網殼屋蓋結構的地震響應及穩定分析[D].太原：太原理工大學，2012.

[2] Yamada M.,Chiyama K.U.Theoretical and experimental study on the buckling of jointed single layer latticed spherical shells under external pressure[D].Proceeding of the IASS Symposium on Membrane Structures and Space Frames,1986：113-120.

[3] 沈士釗.網殼結構的穩定性[J].土木工程學報,1999,32(6):26-27.

[4] 賴海斌，尹凌峰.荷載不對稱分布對網殼穩定性的影響[J].江蘇建筑，2010(6):42-43.

[5] Victor G.Buckling of reticulated shells:State-of-the-art[J].International Journal for Space Structures,1995,10(1):1-46.

[6] 李 華.大跨度單層橢圓面網殼結構靜、動力性能研究[D].上海：同濟大學,2005.

[7] Desai C.S.,Abel J.F.有限元素法引論[M].江伯南,尹澤勇，譯.北京:科學出版社,1978.

[8] Sharifi P.,Popov E.P.Nonlinear buckling analysis of sandwich arches[J].Journal of Structural Engineering,ASCE,1971,97(2):1397-1412.

On integrated stability analysis of large-span single-layer aluminum alloy shell

Luo Yan Lei Jinhu

(SichuanArchitecturalEngineeringQualityInspectionCenter,Chengdu610081,China)

Based on the swimming and fencing hall of China’s Modern Pentathion Event Center, the paper explores the stability of the large-span single-layer aluminum alloy shell under four construction circumstances according to the elastic and non-linear bending analysis, and achieves some valuable conclusions, so as to provide some theoretic reference for similar structural design.

single-layer shell, aluminum alloy, bending modulus, stability

1009-6825(2016)13-0051-02

2016-02-28

羅 焱(1982- )，男，碩士，工程師

TU311

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