基于ANSYS的橢圓形雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的靜力特性分析

張盛林 張 帥

（山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山東科技大學(xué)） 山東 青島 266590）

基于ANSYS的橢圓形雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的靜力特性分析

張盛林 張 帥

（山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山東科技大學(xué)） 山東 青島 266590）

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)作為一種依照殼體形式的空間桿系結(jié)構(gòu)，它既有桿系結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，又具有空間殼體的性質(zhì)。本文主要是應(yīng)用ANSYS對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)果以及對(duì)求解結(jié)果分析得到的結(jié)論。

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；靜力特性分析；ANSYS

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的特征，它是具有桿系結(jié)構(gòu)和薄殼結(jié)構(gòu)的特征，桿件的形式相對(duì)來(lái)說(shuō)較為簡(jiǎn)單，并且桿件的受力形式也是很合理的，由于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)具有剛度大變形較小的的特點(diǎn)；可以使用在工廠預(yù)制的小構(gòu)件拼裝一個(gè)大跨度的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，工廠預(yù)制機(jī)械化程度高，構(gòu)件的安全性可靠度較高，批量生產(chǎn)成本低的，并且規(guī)范化的構(gòu)件之間相互組裝施工的步驟簡(jiǎn)便；網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的另一個(gè)重要特點(diǎn)是它具有豐富的外形，可以按照設(shè)計(jì)者的要求設(shè)計(jì)成平面的或者是曲面的形狀。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)作為大跨度大空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)秀代表，由于具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，近些年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。主要球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式有(1) 肋環(huán)型球面網(wǎng)殼，其整體性較差適用于中小型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。（2）施威德勒型球面網(wǎng)殼，其整體性較好適用于大中型網(wǎng)殼。（3）聯(lián)方型球面網(wǎng)殼，其受力性能好適用于大中型網(wǎng)殼。（4）凱威特型球面網(wǎng)殼，其網(wǎng)格大小均勻，內(nèi)力分布均勻，適用于大中型網(wǎng)殼。（5）短程線型球面網(wǎng)殼，適用于網(wǎng)格大小均勻，受力性能好，適用于矢高比較大或超半球形網(wǎng)殼。

1 結(jié)構(gòu)概況

根據(jù)圖1所示的橢圓型雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，它的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度是42m，短軸的長(zhǎng)度是30m，矢高為6m，網(wǎng)格數(shù)環(huán)向20，徑向?yàn)?，網(wǎng)架的厚度是1.5m，其屋面上弦承受1000N/m2的均布荷載，網(wǎng)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(wǎng)殼結(jié)構(gòu)材料為無(wú)縫鋼管，其彈性模量為 2.1× 1011N/m2，泊松比為0.3。為簡(jiǎn)化建模過(guò)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(wǎng)殼結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 Nodes節(jié)點(diǎn)編號(hào)

圖3 單元實(shí)常數(shù)編號(hào)

圖4 加載結(jié)果

2 模型的建立

采用坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)輸入法（節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)值由AutoCAD軟件提供）的建模方法建立該實(shí)例的三維模型，選擇LINK8單元模擬網(wǎng)殼桿單元，LINK8單元是一種三維單元，在單元軸向方向是拉壓?jiǎn)卧覇卧系拿恳粋€(gè)節(jié)點(diǎn)都具有三個(gè)自由度，就是沿著三個(gè)坐標(biāo)軸的方向平移LINK8單元不承受任何的彎矩。如圖2所示

通過(guò)節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建單元，并賦予其相應(yīng)的單元實(shí)常數(shù)，應(yīng)用實(shí)常數(shù)3建立上弦桿單元，應(yīng)用實(shí)常數(shù)2，1，分別建立下弦桿單元和腹桿單元。如圖3所示。

由于網(wǎng)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(jié)構(gòu)邊界有在X、Y、Z三個(gè)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(jié)點(diǎn)上。如圖4所示加載結(jié)果。

4 結(jié)果分析

4.1 節(jié)點(diǎn)位移

位移是判斷結(jié)構(gòu)受力狀況是否良好的標(biāo)準(zhǔn)之一，如果結(jié)構(gòu)的剛度較小，位移較大，就很難滿足結(jié)構(gòu)的正常使用狀態(tài)。如果結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)剛度大，其結(jié)構(gòu)整體的位移變小，在一定的情況下結(jié)構(gòu)的受力性能就會(huì)更好一些，在施加荷載的作用下的節(jié)點(diǎn)豎向位移如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)豎向位移圖

圖6 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件軸力圖

從節(jié)點(diǎn)位移圖上我們可以看出，對(duì)稱結(jié)構(gòu)上承受對(duì)稱的荷載，其結(jié)構(gòu)的變形也是對(duì)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(fā)生最大位移的節(jié)點(diǎn)位于雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)下弦的中心區(qū)域，其最大豎向位移發(fā)生在節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)86位置處最大位移是5.209mm。

4.2 軸力

在承載力極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)是否被破壞取決于雙層網(wǎng)殼桿件的軸應(yīng)力與抗力的關(guān)系，網(wǎng)殼桿件的應(yīng)力水平直接影響到桿件的強(qiáng)度是否滿足要求，因此網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件的應(yīng)力大小是衡量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理的重要因素之一。因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)的過(guò)程中，為了使拉壓應(yīng)力不超出桿件的抗力，就不應(yīng)該出現(xiàn)個(gè)別桿件應(yīng)力過(guò)大的狀況，這種狀況一旦出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的使用安全就很難保證。同時(shí)為了充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度，也不能出現(xiàn)桿件應(yīng)力過(guò)小的狀況，使得桿件的軸向應(yīng)力過(guò)小而浪費(fèi)了鋼材不經(jīng)濟(jì)。網(wǎng)殼軸力圖如圖6所示：

通過(guò)對(duì)平面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的靜力分析，對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)收到靜力作用下的應(yīng)力應(yīng)變有了深刻的理解和認(rèn)識(shí)，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析提供了參考基礎(chǔ)。為后繼工作計(jì)算模型選擇，以及單元類型選擇奠定了基礎(chǔ)，特別在后繼的動(dòng)力分析過(guò)程中，模型結(jié)構(gòu)的靜力特性及剛度特性將對(duì)分析產(chǎn)生重要影響。

[1]沈世釗，陳聽(tīng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性.北京科學(xué)出版社.1999:1-245

[2]沈祖炎，陳揚(yáng)驥.網(wǎng)架與網(wǎng)殼上海，同濟(jì)大學(xué)出版社.1997:36-36

[3]李忠學(xué)，沈祖炎等.鋼網(wǎng)殼模型的動(dòng)力穩(wěn)定性振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究.L.T實(shí)驗(yàn)力學(xué).

[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(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)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(qū)前灣港路579號(hào)山東科技大學(xué) 郵編：266590

G322

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1007-6344（2016）03-0254-01

3 加載求解