旋轉(zhuǎn)雙曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌分析研究

劉會樂 舒?zhèn)?/p>

（廣東省建筑設(shè)計研究院 廣東 廣州 510010）

旋轉(zhuǎn)雙曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌分析研究

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（廣東省建筑設(shè)計研究院 廣東 廣州 510010）

對旋轉(zhuǎn)雙曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)行了抗連續(xù)倒塌分析，通過計算敏感度能夠找到網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件。對結(jié)構(gòu)重要部位分別拆除一根或者多根桿件，重新進(jìn)行剩余結(jié)構(gòu)的極限承載力計算，討論當(dāng)桿件拆除后對旋轉(zhuǎn)雙曲面型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)所受到的影響。

旋轉(zhuǎn)雙曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；倒塌分析；敏感度

1 引言

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在受力的過程中，當(dāng)荷載達(dá)到一定極值時，結(jié)構(gòu)的部分桿件就會失效。這時，需要拆除一根或者多根已經(jīng)失效的桿件重新進(jìn)行剩余結(jié)構(gòu)的極限承載力計算，討論當(dāng)桿件拆除后旋轉(zhuǎn)雙曲面型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌所受到的影響。為了更好的確定單根桿件對整個結(jié)構(gòu)的影響程度，F(xiàn)rangopol和Curley[1]提出了冗余度和靈敏度的概念。冗余度用R表示，計算公式為

Pandy和Barai[2]提出了結(jié)構(gòu)內(nèi)力或應(yīng)變、結(jié)構(gòu)變形或自振頻率等響應(yīng)分析的觀點，并將初始局部破壞引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化稱為敏感度（也稱靈敏度），敏感度是與結(jié)構(gòu)的冗余度成反比關(guān)系，表示的是撤除桿件后結(jié)構(gòu)的靈敏度值。用公式表示為：

2 模型設(shè)計

中國移動南方基地中心立面為旋轉(zhuǎn)雙曲面，上大下小，呈蘑菇狀。該中心地下 1 層，地上5 層，該結(jié)構(gòu)外邊是一個旋轉(zhuǎn)雙曲面型的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)部和外部通過支座連接在一起。結(jié)構(gòu)的底部直徑為48.000m，最頂端直徑為82.640m，總高度為22.600m。立面圖為圖1。

本工程結(jié)構(gòu)所采用的鋼材型號是Q235鋼，菱形框的截面高度為300mm，高度為100mm。采用ANSYS命令流的形式進(jìn)行建模，施加自重和風(fēng)荷載進(jìn)行非線性屈曲分析，通過ANSYS進(jìn)行建模分析。

3 計算分析

靈敏度分析，判別單根桿件對結(jié)構(gòu)的影響程度，以及不同桿件影響程度的差別。結(jié)構(gòu)從下到上依次選取了12根桿件進(jìn)行分析，桿件號分別為：L138、L457、L776、L1095、L1414、L1733、L2052、L2371、L2451、L2690、L3009、L3328。根據(jù)冗余度和靈敏度的計算公式，依次殺死上述單元進(jìn)行計算，所得到的桿件的靈敏度如下：0.001、0.002、0.003、0.005、0.006、0.009、0.010、0.013、0.014、0.012、0.010和0.008。通過對比發(fā)現(xiàn)桿件的靈敏度從下到上依次先增大后減小，在中上部位置取得最大值。并且在靠近支座的位置附近桿件的靈敏度值相對較小。最大靈敏度桿件為2451，靈敏度值達(dá)到0.014。使結(jié)構(gòu)的極限承載力降低了接近1.4%左右。靈敏度最低的為138號桿件，拆除138號桿件后，對結(jié)構(gòu)的極限承載力影響不大，可以忽略。也說明了單根桿件對結(jié)構(gòu)的極限承載力影響不大，單個桿件的破壞，結(jié)構(gòu)會進(jìn)行重新內(nèi)力的分配，達(dá)到新的平衡，不會影響結(jié)構(gòu)整體的抗倒塌性能。

圖1 立面圖

圖2 刪除單元時的風(fēng)速-位移曲線對比圖

上文通過非線性靜力分析，分析了拆除某根桿件后結(jié)構(gòu)的承載力，體現(xiàn)出單根桿件的靈敏度。現(xiàn)在，將對所要拆除的桿件由一根逐漸增加到4根，分別分析拆除多根桿件后對結(jié)構(gòu)的極限承載力的影響。依次拆除的桿件號分別為：L2604、L2683、L2764和L2863。

由圖2可知，在拆除高靈敏度桿件的過程中，結(jié)構(gòu)的極限承載力依次減小，完整結(jié)構(gòu)時結(jié)構(gòu)的承載的最高風(fēng)速可以達(dá)到61.001m/s，當(dāng)刪除四根敏感度高的桿件時，結(jié)構(gòu)承載的最高風(fēng)速為53.1219m/s，風(fēng)速承載下降了將近13%，所以當(dāng)結(jié)構(gòu)多根桿件破壞時，結(jié)構(gòu)的極限承載力影響還是比較大的，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)性倒塌現(xiàn)象。因此加強(qiáng)對敏感度高的桿件的有效保護(hù)可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的極限承載力，有效降低結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)性倒塌的概率。在對于敏感度高的桿件，為了降低發(fā)生連續(xù)性倒塌的概率，通常可以增加桿件截面的尺寸。

結(jié)論

本文采用ANSYS模型對結(jié)構(gòu)重要桿件的敏感度分析，并且對重要桿件的逐漸遞增刪除，計算結(jié)構(gòu)的極限承載力，通過對比分析得到如下結(jié)果：

（1）分析了結(jié)構(gòu)中部分桿件的敏感度，發(fā)現(xiàn)中上部桿件敏感度最大，并且刪除單根桿件對整個結(jié)構(gòu)極限承載風(fēng)速影響不大。

（2）隨著刪除桿件的增多，桿件極限承載風(fēng)速逐漸變小，承載力降低。可以通過增大桿件截面來抗連續(xù)倒塌。

[1]Frangopol D M,Curley J P,Effects Of Damage And Redundancy On Structural Reliability .Journal Of Structural Engineering,1987 Berkeley,2009:183-202.

[2]Pandey P,C,Barai S V, Structural sensitivity as a measure of redundancy..Journal Of Structural Engineering,1997,123(3):360-364.

TU391

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1007-6344（2016）07-0081-01