鋁合金單層柱面網殼結構穩定性能研究

張鳳起 齊 麟

(中國民航大學機場學院，天津 300300)

0 引言

近年來，在國內鋁合金材料成功應用于網殼結構的工程案例日益增多，如上海國際體操中心、重慶渝北空港體育館、長沙招商服務中心、天津平津紀念館、武漢體育學院綜合體育館等[1]。鋁合金網殼結構的整體穩定性能研究成為了熱點。

相比于國外，我國對鋁合金材料性能及鋁合金網殼結構的整體穩定性能的研究仍處于起步階段。王亞昌等推導了考慮幾何和材料雙重非線性影響的空間梁單元切線剛度矩陣,并使用自編程序進行了網殼穩定承載力的理論計算,提出應對鋁合金單層網殼選擇合適的節點形式并進行非線性穩定驗算[2]。郭小農等對鋁合金板式節點的承載力進行理論分析，提出了節點板塊狀拉剪破壞的承載力計算公式及鋁板式節點的實用構造要求[3]。曾銀枝和HIYAMA等分別對鋁合金板式節點網殼和鋁合金螺栓球節點網殼進行了試驗研究，并取得了一定的成果，得出鋁合金網殼結構在進行力學分析時,其力學模型與鋼網殼一樣,均可以非線性空間梁單元作為計算單元，為鋁合金網殼在我國的推廣使用提供分析和設計依據[4,5]。本文主要研究矢跨比、結構網格密度、邊界支承條件和初始缺陷對單層鋁合金柱面網殼結構整體穩定性的影響,為鋁合金單層柱面網殼結構的設計提供分析和設計的依據。

1 結構模型

結構模型采用三向網格單層柱面網殼，鋁合金材料采用通用的6061-T6牌號，其彈性模量E=70 000 MPa，剪切模量G=27 000 MPa。設計強度f=200 MPa，名義屈服強度f0.2=160 MPa，泊松比為0.3。桿件截面為H型，節點連接方式為板式節點連接。荷載主要考慮恒荷載和活荷載，恒荷載考慮為面荷載0.2 kN/m2，節點自重考慮20%，活荷載考慮為面荷載0.5 kN/m2，方向均為重力方向。

影響鋁合金單層柱面網殼結構整體穩定承載性能的因素有很多，包括矢跨比、結構網格密度、邊界支承條件和初始缺陷等。通過MIDAS軟件對各影響參數的改變，對結構進行非線性分析得出各種參數影響下的荷載—位移曲線。

2 矢跨比對穩定性的影響

分析矢跨比對鋁合金柱面網殼整體穩定承載性能的影響，算例中網殼跨度選取30 m和45 m，長度分別為66 m，90 m，桿件截面尺寸分別為H300×200×10×12和H400×300×12×15，兩種不同跨度網殼結構分別考慮1/5，1/6,1/7,1/8,1/9和1/10等6種矢跨比情況。由圖1，圖2可知，隨著矢跨比的減小，柱面網殼穩定承載力而降低;當矢跨比為1/5時，柱面網殼整體穩定承載力達到最大值，30 m跨度其荷載系數為6.65，45 m跨度其荷載系數為4.99。

3 網格密度對穩定性的影響

算例中鋁合金柱面網殼結構參數為：跨度取30 m，長度為66 m，桿件截面尺寸為H300×200×10×12，矢跨比為1/5。網格密度分別考慮縱向分割間距為2 m,3 m,4 m進行模擬計算。

圖3為網格密度縱向分割間距為2 m,3 m,4 m的柱面網殼結構荷載—位移曲線，荷載系數分別為8.31,6.65,10.9。以網格密度3 m為例，可見適當的改變網格密度，也可以提高穩定安全荷載系數。

4 支承條件對穩定性的影響

圖4，圖5給出了邊界支承條件為剛接對鋁合金柱面網殼結構極限承載力的影響。算例中網殼結構邊界條件均為剛接，跨度選取30 m和45 m，長度分別為66 m，90 m，桿件截面尺寸分別為 H300×200×10×12和H400×300×12×15，兩種不同跨度網殼結構分別考慮1/5，1/6，1/7，1/8，1/9和1/10等6種矢跨比情況。

為得出邊界支承條件對網殼極限承載力影響，將邊界條件剛接與鉸接結構模型參數相同的鋁合金柱面網殼結構的荷載系數進行匯總對比，其中鉸接邊界條件結構荷載位移曲線見圖1，圖2，對比結果如表1,表2所示。

表1 30 m跨度邊界條件剛接與鉸接網殼結構荷載系數對比表

表2 45 m跨度邊界條件剛接與鉸接網殼結構荷載系數對比表

考慮邊界條件剛接后，兩縱邊支承的鋁合金柱面網殼整體穩定承載力提高了1.25倍～1.38倍。且隨著矢跨比的增大，邊界條件對網殼穩定承載力的影響越明顯。

5 初始缺陷對穩定性的影響

考慮初始缺陷對網殼結構整體穩定性的影響，算例中跨度選取30 m和45 m，長度分別為66 m，90 m，桿件截面尺寸分別為H300×200×10×12和H400×300×12×15，矢跨比均為1/5的兩種結構，初始缺陷分別考慮跨度的1/1 000，1/500，1/300，1/200，1/100和無初始缺陷6種分別進行模擬計算。荷載系數見表3，考慮初始缺陷荷載—位移曲線見圖6，圖7。

表3 荷載系數匯總表

由圖6，圖7可知，對于無初始缺陷網殼，跨度30 m柱面網殼結構其穩定承載力系數為6.65;當考慮跨度的1/1 000～1/100初始缺陷后，網殼穩定承載力系數為3.27～2.69,降低了50.8%～59.5%。對于無初始缺陷網殼，跨度45 m柱面網殼結構其穩定承載力系數為4.99;當考慮跨度的1/1 000～1/100初始缺陷后，網殼穩定承載力系數為2.44～2.01,降低了51.1%～59.7%。通過以上圖表可以得出，隨著初始缺陷的增大，荷載系數隨著降低，這表明柱面網殼對初始缺陷比較敏感。

6 結語

1)矢跨比、結構網格密度、邊界支承條件和初始缺陷對鋁合金柱面網殼整體穩定性能具有不容忽視的影響。

2)小矢跨比鋁合金柱面網殼隨著矢跨比的增大，柱面網殼穩定承載力增大，當矢跨比為1/5時，柱面網殼整體穩定承載力達到最大值。

3)適當的改變柱面網殼結構網格密度，可以提高結構的荷載系數，加大網格密度，也可以增大網殼結構跨度。

4)邊界支承條件剛性連接可以有效的提高鋁合金單層柱面網殼整體穩定性。

5)考慮初始缺陷后，柱面網殼穩定承載力急劇降低，柱面網殼對初始缺陷比較敏感。