大跨度網殼結構的穩(wěn)定性

NUMPAGES12大跨度網殼結構的穩(wěn)定性分析xxxxxx摘要：空間結構構構是一種種倍受受矚目的的結構構形式，其其中中網殼結結構是是近半個個世紀紀以來發(fā)發(fā)展最最快、應應用最最廣的空空間結結構之一一。隨隨著大跨跨度單單層網殼殼結構構的不斷斷涌現(xiàn)現(xiàn)，其結結構重重要性不不言而而喻，結結構的的穩(wěn)定性性問題題尤為突突出。本本文主要要介紹紹了網殼殼結構構的穩(wěn)定定性問問題并以某某大大跨度球球類館館為工程程實例例，采用用非線線性有限限元法法針對承承載力力計算時時的11種工況進進行行整體穩(wěn)穩(wěn)定計計算，考考慮了了材料和和幾何何非線性性，對對實際工工程進進行了第第一類類和第二二類穩(wěn)穩(wěn)定分析析，結結果表明明：該該網殼結結構的的第一類類穩(wěn)定定符合相相關規(guī)規(guī)范的要要求；；其第二二類穩(wěn)穩(wěn)定性較較差。因因此，第第二類類穩(wěn)定分分析應應該受到到重視視。關鍵詞：網殼結結結構；穩(wěn)穩(wěn)定性性；非線線性有有限元；；大跨跨度；穩(wěn)穩(wěn)定系系數STABILIIITYANNALYYSIISOOFLONNG--SPAANLATTTIICEDDSSHELLLSSxxxDepartmmmenttoofCCivvilEnnginneeerinng,,xxxAbstraccct:Spacesstruucttureeiisaavveryyaattrracctivvestrruccturresyssteem,aanddthhelatttiiceddsshelllisonneooftheeffurttheestdeevelloppmenntanddtthemoostwiidellyapppliiedsppaceesstruucttureeiinttheereeceenthaalfceentuuryy.Theestaabiilittyanaalyysissiisttheekeeyprooblleminnthhedessiggnooflatttiiceddsshelllss,eesppeciialllyinnsiinggle--laayerrllattticcedshhellls..Thhisspaapeerinnttrodduccesthhesttaabillittyooflatttiiceddsshelllssanndallonng-sspaanbballlggymmnassiuumiisadoopttedassaprractticcalwoork,,aandittissaanallyzzedbyynoonllineearrfiiniiteellemeenttmeethhodunnderrtthefiirsttaandthhessecconddkkinddsofsttabiiliityprrobllemms.Thhehhollistticccaalcculaatiionaiimeddaat111conndiitioonssinnbbearrinngccappaciityy,mmatteriiallanndgeoomeetriicnonnliineaariityarrecconnsidderred..TThereesulltssshhowwthhattthhefirrsttkiinddoffsstabbillityyooftthiisllattticceddshhelllsacccorrdsswiithhthhereqquiiremmenntsoffcoorrrelaatiivesppeciifiicattioons;;ttheseeconndkinndofsttabiiliityisspooorrer..Thhereefoore,,ttheannalyysiisooftheessecoonddkiinddoffsstabbillityysshouulddbeeppaiddaatteenttionn..Keyworddds:laattiiceedssheellss;staabiilitty;;noonllineearrfiiniiteellemeentt;llonng-sspaan;sttabiiliityfaactoor1前言自20世紀以來來，大大跨度、大大大空間的的建筑筑在世界界各地地得到了了迅猛猛發(fā)展。平平面面結構從從技術術經濟方方面講講，很難難跨越越很大的的空間間，也很很難滿滿足建筑筑平面面、空間間和造造型方面面的要要求。解解決大大跨度建建筑結結構最具具有競競爭性的的結構構就是空空間結結構，即即在荷荷載作用用下，具具有三維維受力力特性并并呈空空間工作作地結結構。網網殼結結構作為為空間間網格結結構的的優(yōu)秀代代表，在在過去半半個多多世紀得得到了了快速發(fā)發(fā)展和和廣泛應應用。它它構造簡簡單、輕輕型化、受受力力合理、造造型型優(yōu)美等等優(yōu)點點，深受受建筑筑與結構構工作作人員的的喜愛愛。網殼結構是一種種種與平板板網架架類似的的空間間桿系結結構，系系以桿件件為基基礎，按按一定定規(guī)律組組成網網格，按按殼體體結構布布置的的空間構構架，它它兼具桿桿系和和殼體的的性質質。其傳傳力特特點主要要是通通過殼內內兩個個方向的的拉力力、壓力力或剪剪力逐點點傳力力。網殼結構構又又包括單單層網網殼結構構、預預應力網網殼結結構、板板錐網網殼結構構、肋肋環(huán)型索索承網網殼結構構、單單層叉筒筒網殼殼結構等等。網網殼結構構除廣廣泛用于于工業(yè)業(yè)與民用用建筑筑的屋蓋蓋和樓樓層外，還還用用于形態(tài)態(tài)新穎穎、功能能各異異的特種種結構構，如：塑像骨架、標志結結構、各種用用途途的整個個球面面網殼結結構、高高聳塔架、網架墻墻體、網架橋橋梁、裝飾網網架架等。對于網殼結構，穩(wěn)穩(wěn)定性分析是是非常重要的的，特別是單單層網殼結構構。穩(wěn)定性分分析的目的是是計算網殼結結構的臨界荷荷載，分析網網殼結構對初初始缺陷的敏敏感性，從而而提出合理的的安全系數和和設計臨界荷荷載。2網殼結構的的穩(wěn)穩(wěn)定性網殼結構的失穩(wěn)穩(wěn)穩(wěn)或者說說屈曲曲形式的的分類類方法很很多,,最易接接受受的分類類方法法是以網網殼結結構失穩(wěn)穩(wěn)后因因產生大大變形形而造成成的新新的幾何何外形形作為依依據::網殼結構的失穩(wěn)穩(wěn)穩(wěn)問題是是非常常復雜的的，導導致網殼殼結構構可能失失穩(wěn)的的因素太太多，這這些因素素又是是交互影影響的的。研究究表明明可能導導致網網殼結構構發(fā)生生失穩(wěn)的的因素素有:((11)網殼結結構構的薄膜膜和彎彎曲剛度度；(2))網殼殼結構拓拓樸結結構和周周面的的曲率；；((3)結構所所用的材材料特特性；(4)結構的的初初始缺陷陷;(5))結構構的支承承條件件；(6)網殼結結構構的節(jié)點點剛度度；(7)荷載及及荷荷載類型型。傳統(tǒng)的線性分析析析方法是是把結結構的強強度和和穩(wěn)定問問題分分開來考考慮的的，事實實上，從從非線性性分析析的角度度來考考察，結結構的的穩(wěn)定性性和強強度問題題是相相互聯(lián)系系在一一起的，結結構構的荷載載-位移全過過程程曲線可可以準準確地表表示結結構的強強度、穩(wěn)穩(wěn)定性以以至于于剛度的的整個個變化歷歷程。3兩類穩(wěn)定問問題題根據工程結構失失失穩(wěn)時平平衡狀狀態(tài)的變變化特特征，結結構的的失穩(wěn)有有兩種種基本形形式：：第一類類失穩(wěn)穩(wěn)(分支點失失穩(wěn)穩(wěn))和第二類類失失穩(wěn)(極值點失失穩(wěn)穩(wěn))。在第一一類類穩(wěn)定分分析中中，結構構出現(xiàn)現(xiàn)了新的的與屈屈曲前平平衡形形式有本本質區(qū)區(qū)別的平平衡形形式，結結構的的內力和和變形形都發(fā)生生了性性質上的的突然然變化。實實際際上，工工程中中存在的的穩(wěn)定定問題多多數都都是第二二類穩(wěn)穩(wěn)定問題題。但但是，由由于第第一類穩(wěn)穩(wěn)定問問題是特特征值值問題，其其表表達式理理論明明確、求求解方方便，許許多規(guī)規(guī)范都是是根據據第一類類穩(wěn)定定分析結結果作作為基礎礎來驗驗算結構構的穩(wěn)穩(wěn)定性，例例如如，我國國《公公路斜拉拉橋設設計規(guī)范范(試行)JTTJJ0277-996》中規(guī)規(guī)定定結構的的彈性性穩(wěn)定安安全系系數須大大于44―5(同拱橋橋)。因此，研研研究第一一類穩(wěn)穩(wěn)定問題題仍具具有重要要的工工程意義義。第一類穩(wěn)定分析析析采用的的是彈彈性模型型和小小撓度理理論，是是線性分分析；；第二類類穩(wěn)定定分析采采用的的是彈塑塑性模模型和大大撓度度理論，考考慮慮了材料料非線線性和幾幾何非非線性的的影響響，是非非線性性分析。在在結結構穩(wěn)定定計算算中，通通常采采用小撓撓度理理論，其其優(yōu)點點是可以以用比比較簡單單的方方法得到到基本本正確的的結果果。如果果希望望得到更更精確確的結果果，則則需采用用比較較復雜的的大撓撓度理論論。3.1第一類類類穩(wěn)定問問題中中關于彈彈性穩(wěn)穩(wěn)定安全全系數數的說明可采用大型通用用用有限元元軟件件ANSYYSS對結構進進行行線性的的整體體穩(wěn)定分分析。這這種方法法較為為簡便，可可以以方便得得出屋屋蓋的整整體屈屈曲模態(tài)態(tài)。各各屈曲模模態(tài)的的求解實實際上上是一個個特征征值求解解的問問題：(1)其中：為結構的的的整體剛剛度矩矩陣；為各各工工況靜荷荷載作作用下結結構產產生的應應力剛剛度矩陣陣；為為第階特特征值值(用于增加加產產生矩陣的的各各工況靜靜荷載載)；為第階特特征征位移向向量。第一類穩(wěn)定問題題題可直接接參照照目前網網殼結結構相關關規(guī)范范對穩(wěn)定定安全全系數的的要求求來進行行判別別。參考考《公公路斜拉拉橋設設計規(guī)范范(試行)JTTJJ0277-996》的要要求求，一類類穩(wěn)定定安全系系數應應大于4。3.2第二類類類穩(wěn)定問題題的的判別準準則對于第二類穩(wěn)定定定問題，可可采采用兩種種判別別準則，即即截截面邊緣緣纖維維屈服準準則和和壓潰準準則。截面邊緣纖維屈屈屈服準則。本文對網殼結構構構穩(wěn)定性性分析析，參照照規(guī)范范對橋梁梁的要要求。在在橋梁梁結構的的整體體穩(wěn)定分分析中中常采用邊緣纖維維維屈服準準則作作為其穩(wěn)穩(wěn)定判判別標準準，以以結構構構件邊邊緣應力力達到到屈服強強度時時的荷載載與此此階段實實際荷荷載的比比值作作為穩(wěn)定定安全全系數；；根據據失穩(wěn)破破壞不不得先于于強度度破壞的的原則則，采用用邊緣緣纖維屈屈服準準則得到到的不不考慮荷荷載分分項系數數的整整體穩(wěn)定定安全全系數應應該大大于容許許應力力安全系系數，即即對于鋼鋼結構構最小穩(wěn)穩(wěn)定安安全系數數應該該大于1..77；鋼筋混混凝凝土結構構，施施工階段段的容容許應力力中已已經考慮慮了安安全系數數，最最小穩(wěn)定定安全全系數應應該大大于恒載載下的的荷載組組合系系數1.11；鋼筋筋混凝土土橋墩墩與主梁梁屈服服強度參參照《公公路鋼筋筋混凝凝土及預預應力力混凝土土橋涵涵設計規(guī)規(guī)范((JTJ0023--855)》施工工階階段的應應力計計算方法法。這這種方法法不考考慮材料料進入入后期塑塑性階階段，且且當任任何單根根構件件達到屈屈服強強度則認認為結結構失穩(wěn)穩(wěn)。(2)壓潰準則則則。另一方法則根據據據材料試試驗所所得的本本構關關系或假假設的的材料本本構關關系曲線線，一一直計算算到破破壞為止止的結結構穩(wěn)定定系數數，類似似于結結構承載載能力力。第二二類穩(wěn)穩(wěn)定問題題實質質上應該該表述述為：隨隨著外外荷載的的增加加，結構構的剛剛度也隨隨之不不斷發(fā)生生變化化，當外外荷載載的壓應應力((剪應力)使得結構構剛剛度矩陣陣趨于于奇異時時，結結構承載載能力力就達到到了極極限。這這種以以荷載-位移曲線線上上的極值值點作作為確定定臨界界荷載的的方法法稱為極極限荷荷載理論論，也也稱壓潰潰準則則。本文考慮到結構構構的材料料非線線性，采采用QQ3455B型鋼材，其其其屈服應應力為為300MMPPa，鋼材材的的本構關關系采采用理想想的彈彈-塑性體的的應應力-應變曲線線，如如圖1所示。圖1理想的彈--塑塑性體的應應應力-應變曲線線4求解網殼結構構構穩(wěn)定問題題的的方法計算穩(wěn)定臨界荷荷荷載主要要有以以下一些些方法法：解析析法適適用于簡簡單荷荷載及規(guī)規(guī)則的的結構，對對于于復雜荷荷載及及變截面面的壓壓桿，用用解析析法求解解很困困難。大大多數數結構需需要做做出某些些假定定和簡化化獲得得近似解，應應用較廣廣泛的的有能量量法、差差分法和和漸近近法等，其其中中能量法法包括括Timoosshennkoo法和Raylleeighh-RRitzz法以及勃勃布布諾夫-伽遼金法法。對對于復雜雜荷載載及變截截面的的壓桿，可可采采用有限限元法法用計算算機來來計算。以前，當利用計計計算機對對復雜雜結構體體系進進行有效效的非非線性有有限元元分析尚尚未能能充分實實現(xiàn)的的時候，要要進進行網殼殼結構構的全過過程分分析是十十分困困難的。在在較較長一段段時間間內，人人們不不得不求求助于于連續(xù)化化理論論(擬殼法)將網殼轉轉化化為連續(xù)續(xù)殼體體結構，然然后后通過某某些近近似的非非線性性解析方方法來來求出殼殼體結結構的穩(wěn)穩(wěn)定性性承載力力。這這種“擬殼法”公式對計計算算某些特特定形形式網殼殼的穩(wěn)穩(wěn)定性承承載力力起過很很重要要作用。隨著計算機的發(fā)發(fā)發(fā)展和廣廣泛應應用，非非線性性有限元元分析析方法逐逐漸成成為結構構穩(wěn)定定性分析析的有有力工具具。近近20年來，這這一一領域的的研究究工作一一起相相當活躍躍，尤尤其在屈屈曲后后路徑跟跟蹤和和計算技技術方方面做了了許多多有成效效的探探索。由Rickkss和Wemppnnor提出并由Crissffielld和Ramn等人改進進的的各種弧弧長法法是這方方面的的一個重重要成成果，它它為結結構的荷荷載-位移全過過程程路徑跟跟蹤提提供的迄迄今仍仍然是最最有效效的計算算方法法。5算例某體育館工程屋屋屋蓋結構構型式式為倒三三角形形桁架結結構，中中部最大大跨度度為48..00m，周邊邊懸懸挑長度度為77.0mm。桁桁架屋蓋蓋采用用鋼筋混混凝土土框架柱柱多點點下弦支支承。由由于本工工程的的設計重重點在在于大跨跨度屋屋蓋拱形形桁架架，故主主要分分析屋蓋蓋拱形形桁架的的力學學性能，考考慮慮到大跨跨度屋屋蓋的跨跨度達達48m，所所以以計算模模型采采用屋蓋蓋桁架架、下部部主要要受力柱柱的整整體模型型，以以考慮屋屋蓋及及其支撐撐系統(tǒng)統(tǒng)的協(xié)同同變形形。5.1計算工工工況為了對結構的整整整體性和和各桿桿件的穩(wěn)穩(wěn)定性性有更清清楚地地認識，考考慮慮對結構構進行行整體的的屈曲曲分析。屈屈曲曲分析應應按照照承載能能力極極限狀態(tài)態(tài)下的的基本組組合來來進行計計算，參參考結構構設計計說明，針針對對桁架承承載力力計算時時的111種工況況進進行整體體穩(wěn)定定計算：：工況1：1.222恒載+1..44活荷載；；工況2：1.3335恒載+1..44×0..7活活荷載工況3：1.222恒載+1..44活荷載載+1..4×00.66左風荷載載；；工況4：1.222恒載+1..44活荷載載+1..4×00.66右風荷載載；；工況5：1.222恒載+1..44×0..7活荷載+11..4左風荷荷載載；工況6：1.222恒載+1..44×0..7活荷載+11..4右風荷荷載載；工況7：0.999恒載+1..44左風荷載載；；工況8：0.999恒載+1..44右風荷載載；；工況9：1.222恒載+1..44活荷載+11..0升溫30°°；工況10：1...2恒載+1..44活荷載+11..0降溫30°°；工況11：1...2恒載+1..44半跨活荷荷載載。以下只列出具有有有代表性性的工工況1和工況況7的計算算結結果，其其他工工況計算算方法法相同。球球類類館屋蓋蓋結構構位置及及坐標標方向如如圖22所示。圖2屋蓋結構構構位置及坐坐標標方向圖圖5.2第一類類類穩(wěn)定分析析基于整體的有限限限元結構構模型型，得出出工況況1和工況7的前三階階屈屈曲模態(tài)態(tài)。工工況1的整體屈屈曲曲模態(tài)先先是在在HJ-AAKK主跨上弦弦桿桿件先出出現(xiàn)側側向屈曲曲，緊緊接著是是HJJ-AJJ主跨跨上弦桿桿出現(xiàn)現(xiàn)側向失失穩(wěn)，然然后是HJJ--AL主跨跨上上弦桿側側向失失穩(wěn)；工工況77的整體屈屈曲曲模態(tài)先先是在在HJ-AAHH的左邊跨跨上上弦桿側側向失失穩(wěn)，緊緊接著著是HJ--AAJ的左邊邊跨跨上弦桿桿側向向失穩(wěn)，然然后后是HJ--AAH的主跨跨上上弦桿側側向失失穩(wěn)。工工況11和工況7的前三階階屈屈曲模態(tài)態(tài)見圖圖3和圖4，前2階彈性穩(wěn)穩(wěn)定定安全系系數見見表1。表1兩種工況況況下第一類類穩(wěn)穩(wěn)定前2階彈性穩(wěn)穩(wěn)定安全全系數數（a）(bb)(cc)圖3工況1的前三階階屈屈曲模態(tài)態(tài)(a)(b)(c)圖4工況7的前三階階屈屈曲模態(tài)態(tài)特征值整體穩(wěn)定定定分析只只能得得出彈性性屈曲曲穩(wěn)定臨臨界荷荷載的上上限，僅僅供參考考。所有11個工況況況中，工工況11的彈性穩(wěn)穩(wěn)定定安全系系數最最小，然然而也也滿足大大于44的要求。因因因此，該該網殼殼結構的的第一一類穩(wěn)定定分析析在各種種工況況下都是是安全全的。5.3第二類類類穩(wěn)定分析析本文采用的第二二二類穩(wěn)定定性判判別準則則是前前述的截截面邊邊緣纖維維屈服服準則。當加載至1.0000×((1..2恒載載+1.44活荷載載)時，屋蓋蓋正正應力分分布圖圖如圖5((aa)，屋屋蓋蓋最大拉拉應力力為1322MMPa((正應應力)。當加載至2.2220×((1..2恒載載+1.44活荷載載)時，屋蓋正正應應力分布布圖如如圖5(b)，最大拉應應力力為2900MMPa((正應應力)，所以屋屋蓋蓋在工況況1作用下，應應應力達到到限定定值時彈彈塑性性穩(wěn)定系系數為為2.200。當加載至1.0000×((0..9恒載載+1.44左風荷荷載載)時，屋蓋蓋正正應力分分布圖圖如圖6((aa)，最最大大壓應力力為4438MMPaa(正應應力力)。當加載至0.6668×((0..9恒載載+1.44左風荷荷載載)時，屋蓋蓋正正應力分分布圖圖如圖6((bb)，最最大大壓應力力為2298MMPaa(正應應力力)。所以屋屋蓋蓋在工況況7作用下，應應應力達到到限定定值時彈彈塑性性穩(wěn)定系系數為為0.688。第二類彈塑性穩(wěn)穩(wěn)穩(wěn)定安全全系數數列于表表2中。表2兩種工況況況下第二類類彈彈塑性穩(wěn)穩(wěn)定安安全系數數(a)(b)圖5工況1屋蓋正應應力力分布//PPa(a)(b)圖6工況7屋蓋正應應力力分布//PPa依據截面邊緣纖纖纖維屈服服準則則，以屋屋蓋應應力達到到限定定值3000MMPa為標標準準，計算算得到到該屋蓋蓋在工工況1作用下的的彈彈塑性穩(wěn)穩(wěn)定安安全系數數大于于1.7，滿滿足足準則要要求；；而在工工況77作用下的的彈彈塑性穩(wěn)穩(wěn)定安安全系數數不滿滿足準則則要求求。因此此，該該屋蓋在在工況況7作用下第第二二類穩(wěn)定定是不不安全的的。從從所有111種工況的的值可以看看出出，在恒恒載和和活荷載載組合合作用下下，值值較大；；在風風荷載組組合作作用下，值值較較小?？煽梢?，有有風荷載載參與與的荷載載組合合是該屋屋蓋結結構彈塑塑性穩(wěn)穩(wěn)定分析析的控控制因素素。5.4穩(wěn)定性性性分析結結論對某體育場工程程程屋蓋結結構的的兩類穩(wěn)穩(wěn)定分分析的結結果表表明：(1)從表111和表2可以看出出，第第二類穩(wěn)穩(wěn)定分分析得出出的值值遠遠小小于第第一類穩(wěn)穩(wěn)定分分析的值，特特別是在在工況況七作用用下，前前者僅為為后者者的10..99%。本文文未未考慮初初始缺缺陷，若若引入入初始缺缺陷，則則彈塑性性穩(wěn)定定安全系系數將將更小。(2)在第一一一類穩(wěn)定分分析析中，屋屋蓋的的失穩(wěn)部部位分分布在HJJ--AJ、HJ-AALL等幾榀榀主主桁架的的主跨跨上弦桿桿，而而在第二二類穩(wěn)穩(wěn)定分析析中，失失穩(wěn)部位位多在在HJ-AA11-277上弦弦桿，這這榀桁桁架成為為整個個屋蓋的的薄弱弱環(huán)節(jié)。(3)第二類類類穩(wěn)定分析析中中，風荷荷載是是有害因因素，而而在第一一類穩(wěn)穩(wěn)定分析析中，風風荷載是是有利利因素，這這使使得原本本應該該被重視視的風風荷載在在第一一類穩(wěn)定定分析析中被忽忽略了了。(4)由兩類類類穩(wěn)定分析析可可知，第第一類類穩(wěn)定計計算結結果僅可可作為為設計參參考臨臨界荷載載的上上限；而而第二二類穩(wěn)定定分析析由于考考慮了了材料及及幾何何非線性性等因因素的影影響，從從而導致致穩(wěn)定定安全系系數大大幅度降降低，故故其分析析更具具實際參參考價價值。6結語對于網殼結構的的的穩(wěn)定性性分析析，其分分析模模型、計計算方方法已趨趨于實實際精細細化,,理論研研究究