索桿球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

2013-06-16  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

筆者設(shè)計(jì)了一種新型的結(jié)構(gòu)單元(見圖1)?；締卧獮橐粠缀味嗝骟w,多面體的每一條邊都被設(shè)計(jì)為拉索,從多面體的內(nèi)部形心點(diǎn)到各角點(diǎn)設(shè)計(jì)為壓桿。并在壓桿中引入預(yù)壓應(yīng)力,將多面體撐起,形成具有空間剛度的自平衡預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)單元。應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)單元形成超大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),對其進(jìn)行設(shè)計(jì)和靜力分析,對300 m超大跨度球面網(wǎng)殼的設(shè)計(jì)分析表明,“單元拼裝式自平衡”體系在超大跨度空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是可行的,設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮網(wǎng)殼厚度、預(yù)應(yīng)力值、索桿截面變化引起的索桿應(yīng)力變化。

1 結(jié)構(gòu)形體和體系的選擇
   
根據(jù)已有的大跨預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼研究結(jié)論和目平衡結(jié)構(gòu)單元的特點(diǎn),應(yīng)用圖1(c)基本單元,設(shè)計(jì)出跨度為300 m的K6扇形3向網(wǎng)格球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu):上層網(wǎng)格尺寸6.041~8.776 m,下層網(wǎng)格尺寸5.958-8.655 m,厚3m,矢高60 m。稱為自平衡預(yù)應(yīng)力索桿球面網(wǎng)殼。

2 桿件與節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

    2.1桿件的截面形式及材料
   
壓桿主要采用Q235或Q345鋼,截面形式宜用高頻焊管或無縫鋼管;預(yù)應(yīng)力拉索可用熱塑套管的預(yù)應(yīng)力鋼紋線、消除應(yīng)力鋼絲,也可以采用熱處理鋼筋或其他高強(qiáng)材料(碳纖維桿等)。

    2.2節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
   
節(jié)點(diǎn)采用Q235或Q345鋼,中心節(jié)點(diǎn)為螺栓球節(jié)點(diǎn),即在該球體的表面設(shè)有數(shù)個(gè)徑向的壓桿連接螺孔。中心節(jié)點(diǎn)的絲扣方向與上下層節(jié)點(diǎn)和角節(jié)點(diǎn)的絲扣方向相反,以便與壓桿相連并施加預(yù)應(yīng)力,如圖2所示。

上下層節(jié)點(diǎn)由半球形主體和節(jié)點(diǎn)蓋構(gòu)成,在該半球形主體的平面端邊緣均布有數(shù)個(gè)拉索連接槽,在該半球形主體的球面設(shè)有數(shù)個(gè)壓桿連接螺孔,如圖3所示。支座節(jié)點(diǎn)采用活動(dòng)鉸支座。

3 結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)和靜力分析

    3.1設(shè)計(jì)方案說明
   
由于扇形3向網(wǎng)格球面網(wǎng)殼的對稱性,只取1/6曲面進(jìn)行分析即可反映整體。為減少結(jié)構(gòu)自重,其內(nèi)部進(jìn)行抽空處理,由于兩側(cè)三角形自中心向徑向邊緣逐步趨于直角三角形,傳力較曲面的內(nèi)部差,故兩側(cè)三角形均不抽空。

    3.2建立模型及求解
   
利用Ansys建立本網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型。定義單元類型、設(shè)置實(shí)常數(shù)、創(chuàng)建模型、施加預(yù)應(yīng)力、施加約束、施加荷載、求解、查看后處理結(jié)果有限元模型見圖4、圖5。

施加荷載時(shí)荷載均作用在上層節(jié)點(diǎn)上,為了對比,本結(jié)構(gòu)采用文獻(xiàn)中的屋面荷載標(biāo)準(zhǔn)值:q=0.91 kPa;查看后處理結(jié)果時(shí)將坐標(biāo)變成柱坐標(biāo)。

    3.3結(jié)構(gòu)的靜力分析
   
為初步了解此結(jié)構(gòu)的受力狀況,先進(jìn)行粗略的試設(shè)計(jì)。將所有拉索定義為同一截面;所有壓桿定義為同一截面。先只對結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力及自重荷載,查看后處理結(jié)果得到各桿件的軸力;再將屋面荷載施加到各節(jié)點(diǎn)上,查看后處理結(jié)果得到各桿件的軸力。將這兩組軸力進(jìn)行對比分析,得:(1)由于此結(jié)構(gòu)的對稱性,相應(yīng)的軸力也呈對稱分布;(2)結(jié)構(gòu)在預(yù)應(yīng)力及自重荷載作用下,上下層拉索軸力分布較均勻,豎向拉索軸力相對較大,壓桿軸力分布也較均勻;(3)上層徑向拉索在外載作用下,均為卸載構(gòu)件,有的已產(chǎn)生負(fù)應(yīng)變,軸力為0,這是設(shè)計(jì)中禁止產(chǎn)生的,需調(diào)整環(huán)向拉索距離頂點(diǎn)較遠(yuǎn)的外環(huán)為增載構(gòu)件,距離頂點(diǎn)較近的內(nèi)環(huán)為卸載構(gòu)件。中心節(jié)點(diǎn)到上層節(jié)點(diǎn)的外環(huán)壓桿為卸載桿件,內(nèi)環(huán)壓桿為增載桿件;(4)下層徑向拉索在外載作用下,有卸載構(gòu)件也有增載構(gòu)件環(huán)向拉索外環(huán)為增載構(gòu)件,內(nèi)環(huán)為卸載構(gòu)件。中心節(jié)點(diǎn)到下層節(jié)點(diǎn)的外環(huán)壓桿為卸載桿件,內(nèi)環(huán)壓桿為增載桿件;(5)豎向拉索在外載作用下,外環(huán)豎索為卸載構(gòu)件,內(nèi)環(huán)豎索為增載構(gòu)件。
   
將網(wǎng)殼的厚度增至6m,重新建模求解,查看后處理結(jié)果得到各桿件兩階段的軸力,與3m厚網(wǎng)殼進(jìn)行對比:網(wǎng)殼厚度減小,壓桿長度縮短;壓桿與上下層索投影角增大;與豎向索投影角減小.故上下層索拉力增大,豎向索拉力減小,壓桿壓力增大,但穩(wěn)定系數(shù)也增大。因此,較小的網(wǎng)殼厚度不僅可以減輕結(jié)構(gòu)自重,節(jié)省用鋼量,還有利于結(jié)構(gòu)的受力,故在進(jìn)行結(jié)構(gòu)形體的優(yōu)選時(shí),選擇了厚度為3m,而未采用現(xiàn)有的超大跨度網(wǎng)殼厚跨比參數(shù)可取1/50~1/60的研究結(jié)論。

    3.4單元截面設(shè)計(jì)
   
上下層徑向拉索采用42根朽高強(qiáng)鋼絲;豎向拉索采用63根朽高強(qiáng)鋼絲;上下層環(huán)向拉索最外側(cè)1.2兩環(huán)采用112根Φ5高強(qiáng)鋼絲,3.4兩環(huán)采用63根朽高強(qiáng)鋼絲;其余環(huán)向拉索采用14根Φ5高強(qiáng)鋼絲;壓桿采用203 x 9圓鋼管;壓桿升溫390度以施加預(yù)應(yīng)力,(高強(qiáng)鋼絲設(shè)計(jì)強(qiáng)度為1395 MPa;鋼管設(shè)計(jì)強(qiáng)度為310 MPa;變形量控制為跨度的1/150)

3.5設(shè)計(jì)方案分析
   
結(jié)構(gòu)需進(jìn)行兩階段應(yīng)力控制:第一階段,預(yù)應(yīng)力及自重荷載作用下結(jié)構(gòu)的變形和構(gòu)件應(yīng)力不超過容許值,壓桿不發(fā)生失穩(wěn);第二階段,預(yù)應(yīng)力、自重及屋面荷載作用下結(jié)構(gòu)的變形和構(gòu)件應(yīng)力不超過容許值,壓桿不發(fā)生失穩(wěn)。
   
    (1)第一階段結(jié)構(gòu)受力情況
   
    查看后處理結(jié)果,軸力云圖如圖6所示。典型桿件的內(nèi)力和典型節(jié)點(diǎn)的位移如表1、表2所示。

    (2)第二階段結(jié)構(gòu)受力情況

    查看后處理結(jié)果,軸力云圖如圖7所示典型桿件的內(nèi)力如表3所示,典型節(jié)點(diǎn)的位移如表4所示.

(3)結(jié)構(gòu)兩階段分析
   
①由圖6可看出,在第一加載階段,外環(huán)索、下層頂點(diǎn)部分索和豎向索軸力較大,其余索軸力分布較均勻,外環(huán)壓桿尤其是兩角點(diǎn)部分軸力較大,其余壓桿軸力分布較均勻;
   
②由圖7可看出,在第二加載階段,外環(huán)索和豎向索軸力較大,其余索軸力分布較均勻,外環(huán)壓桿和兩徑向邊緣部分壓桿軸力較大,其余壓桿軸力分布較均勻;

③在兩個(gè)加載階段,拉索均受正向軸力作用,保持受拉狀態(tài),未出現(xiàn)負(fù)應(yīng)變、0軸力拉索,保證了結(jié)構(gòu)的剛度;
   
④在第一加載階段,最大的拉索應(yīng)力為1515.9 MPa,超過設(shè)計(jì)值8.667 %.由于此加載階段為施工階段,時(shí)間較短,故結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可允許;最大的壓桿應(yīng)力為-286.23 MPa,穩(wěn)定分析允許該壓桿的應(yīng)力約為260 MPa,有發(fā)生失穩(wěn)的可能,可將部分壓力較大的鋼管直徑適當(dāng)增大;
   
⑤在第二加載階段,最大的拉索應(yīng)力為1382.1 MPa < 1 395 MPa;最大的壓桿應(yīng)力為-254.58 MPa,穩(wěn)定分析允許該壓桿的應(yīng)力約為260 MPa,不發(fā)生失穩(wěn);
   
⑥在第一加載階段,結(jié)構(gòu)的最大豎向位移為0.972 77 m(向上)。在第二加載階段,結(jié)構(gòu)的最大豎向位移為-1.662 9 m(向下),為跨度的1/180,小于規(guī)范對結(jié)構(gòu)位移的限制;
   
⑦結(jié)構(gòu)在第一階段產(chǎn)生的徑向水平位移為施工過程中的位移,可以此為基點(diǎn)考慮結(jié)構(gòu)在外載作用下的徑向變形,經(jīng)計(jì)算,結(jié)構(gòu)在外載作用下支座的最大徑向水平相對位移約為0.9 m;結(jié)構(gòu)環(huán)向位移較小,可不考慮。因此,節(jié)點(diǎn)支座可選用僅提供豎向反力的活動(dòng)鉸支座。

    3.6與文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)方案比較分析
   
(1)文獻(xiàn)[1]中3種網(wǎng)殼預(yù)應(yīng)力的作用使部分桿件增載,部分桿件卸載;本文的自平衡索桿網(wǎng)殼的預(yù)應(yīng)力作用是形成結(jié)構(gòu)剛度,而結(jié)構(gòu)在外載的作用下部分桿件增載,部分桿件卸載。
   
(2)結(jié)構(gòu)未包含節(jié)點(diǎn)總用鋼量約為2 920 t,包含節(jié)點(diǎn)總用鋼量估計(jì)將達(dá)到3 150 t(擬設(shè)所有節(jié)點(diǎn)均等效為直徑200 mm的實(shí)心球).單位用鋼量為44.56 kg/m2.文獻(xiàn)[1]中相同跨度高度的雙層預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼用鋼量為38. 86 kg/m2,多層預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼用鋼量為45. 22kg/m2,巨型預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼用鋼量為52.46 kg/m2。這4種網(wǎng)殼均較傳統(tǒng)非預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼節(jié)約了大量鋼材。
   
(3)文獻(xiàn)[1]中3種網(wǎng)殼的支座都需有剛性環(huán)梁約束,以提供水平推力;而本文中的自平衡網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的支座只需提供豎向支承即可,無需附加的材料消耗,結(jié)構(gòu)可靠度較高。

4 結(jié)語
   
    (1)對300 m超大跨度球面網(wǎng)殼的設(shè)計(jì)分析表明,“單元拼裝式自平衡”體系在超大跨度空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是可行的;
   
    (2)設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮網(wǎng)殼厚度、預(yù)應(yīng)力值、索桿截面變化引起的索桿應(yīng)力變化;
   
    (3)設(shè)計(jì)中應(yīng)保證拉索在任何受力階段始終保持受拉的緊繃狀態(tài);應(yīng)進(jìn)行壓桿的穩(wěn)定驗(yàn)算;
   
    (4)為完善并實(shí)現(xiàn)此種結(jié)構(gòu),還應(yīng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的深入研究和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能研究。

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