基于ANSYS的橢圓形雙層網殼結構的靜力特性分析

張盛林 張 帥

（山東省土木工程防災減災重點實驗室（山東科技大學） 山東 青島 266590）

基于ANSYS的橢圓形雙層網殼結構的靜力特性分析

張盛林 張 帥

（山東省土木工程防災減災重點實驗室（山東科技大學） 山東 青島 266590）

網殼結構作為一種依照殼體形式的空間桿系結構，它既有桿系結構的性質，又具有空間殼體的性質。本文主要是應用ANSYS對網殼結構進行靜力特性分析，本文主要介紹了模型的建立，荷載約束的施加、求解結果以及對求解結果分析得到的結論。

網殼結構；靜力特性分析；ANSYS

網殼結構具有優良的特征，它是具有桿系結構和薄殼結構的特征，桿件的形式相對來說較為簡單，并且桿件的受力形式也是很合理的，由于網殼結構具有剛度大變形較小的的特點；可以使用在工廠預制的小構件拼裝一個大跨度的網殼結構，工廠預制機械化程度高，構件的安全性可靠度較高，批量生產成本低的，并且規范化的構件之間相互組裝施工的步驟簡便；網殼結構的另一個重要特點是它具有豐富的外形，可以按照設計者的要求設計成平面的或者是曲面的形狀。網殼結構作為大跨度大空間結構的優秀代表，由于具有眾多的優點，近些年來得到了廣泛的應用和發展。主要球面網殼結構形式有(1) 肋環型球面網殼，其整體性較差適用于中小型網殼結構。（2）施威德勒型球面網殼，其整體性較好適用于大中型網殼。（3）聯方型球面網殼，其受力性能好適用于大中型網殼。（4）凱威特型球面網殼，其網格大小均勻，內力分布均勻，適用于大中型網殼。（5）短程線型球面網殼，適用于網格大小均勻，受力性能好，適用于矢高比較大或超半球形網殼。

1 結構概況

根據圖1所示的橢圓型雙層網殼結構，它的長軸長度是42m，短軸的長度是30m，矢高為6m，網格數環向20，徑向為4，網架的厚度是1.5m，其屋面上弦承受1000N/m2的均布荷載，網殼周圍的固定約束在剛度很大的混凝土柱子上，可視為三向線位移固定約束支座，網殼結構材料為無縫鋼管，其彈性模量為 2.1× 1011N/m2，泊松比為0.3。為簡化建模過程，所有上弦桿都使用的下弦桿都使用腹桿都使用的

圖1 橢圓型雙層網殼結構示意圖

圖2 Nodes節點編號

圖3 單元實常數編號

圖4 加載結果

2 模型的建立

采用坐標節點輸入法（節點坐標數值由AutoCAD軟件提供）的建模方法建立該實例的三維模型，選擇LINK8單元模擬網殼桿單元，LINK8單元是一種三維單元，在單元軸向方向是拉壓單元，而且單元上的每一個節點都具有三個自由度，就是沿著三個坐標軸的方向平移LINK8單元不承受任何的彎矩。如圖2所示

通過節點創建單元，并賦予其相應的單元實常數，應用實常數3建立上弦桿單元，應用實常數2，1，分別建立下弦桿單元和腹桿單元。如圖3所示。

由于網殼周邊是固定約束在剛度很大的混凝土柱子上，所以可以看作是三向線位移固定約束支座，由于是三向線位移固定約束支座，所以不能允許結構邊界有在X、Y、Z三個方向的線位移存在，分別將20620N、15860N和30040N的方向向下的集中荷載施加在上弦節點上。如圖4所示加載結果。

4 結果分析

4.1 節點位移

位移是判斷結構受力狀況是否良好的標準之一，如果結構的剛度較小，位移較大，就很難滿足結構的正常使用狀態。如果結構結構剛度大，其結構整體的位移變小，在一定的情況下結構的受力性能就會更好一些，在施加荷載的作用下的節點豎向位移如圖5所示。

圖5 節點豎向位移圖

圖6 網殼結構桿件軸力圖

從節點位移圖上我們可以看出，對稱結構上承受對稱的荷載，其結構的變形也是對稱形式的，此種工況下的變形形式與理論的變形形式一致，并且在此種荷載工況下的發生最大位移的節點位于雙層網殼結構下弦的中心區域，其最大豎向位移發生在節點5和節點86位置處最大位移是5.209mm。

4.2 軸力

在承載力極限狀態下結構是否被破壞取決于雙層網殼桿件的軸應力與抗力的關系，網殼桿件的應力水平直接影響到桿件的強度是否滿足要求，因此網殼結構桿件的應力大小是衡量結構設計是否合理的重要因素之一。因此我們在設計的過程中，為了使拉壓應力不超出桿件的抗力，就不應該出現個別桿件應力過大的狀況，這種狀況一旦出現，結構的使用安全就很難保證。同時為了充分發揮材料的強度，也不能出現桿件應力過小的狀況，使得桿件的軸向應力過小而浪費了鋼材不經濟。網殼軸力圖如圖6所示：

通過對平面網殼結構的靜力分析，對網殼結構收到靜力作用下的應力應變有了深刻的理解和認識，為后續的結構動力分析提供了參考基礎。為后繼工作計算模型選擇，以及單元類型選擇奠定了基礎，特別在后繼的動力分析過程中，模型結構的靜力特性及剛度特性將對分析產生重要影響。

[1]沈世釗，陳聽網殼結構穩定性.北京科學出版社.1999:1-245

[2]沈祖炎，陳揚驥.網架與網殼上海，同濟大學出版社.1997:36-36

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[4]ZiCao and YigangZhang. A study on the seismic response of lattice shells.[J]International Journal of Space Structures.2000(3&4):243-248

[5]JGJ7-2010空間網格結構技術規程[S]

Static characteristic analysis of elliptical double layer reticulated shell structure based on ANSYS

ZHANG Sheng-lin，ZHANG Shuai
(Shandong Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation (Shandong University of Science and Technology), Qingdao, Shandong 266590, China)

Network shell structure is a flat grid with similar spatial truss structures, arranged according to the shell structure space frame, which combines properties of the rod and the housing department. This paper is the application of ANSYS for reticulated shells for static characteristic analysis, this paper introduces the modeling and load constraints applied to solve the results and analysis of the results obtained by solving the conclusions.

Reticulated Shell；Static Behavior Analysis；ANSYS

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張盛林 17806227714 地址：山東省青島市黃島區前灣港路579號山東科技大學 郵編：266590

G322

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1007-6344（2016）03-0254-01

3 加載求解