索承叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的構(gòu)建與分析

索承叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的構(gòu)建與分析

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)以其優(yōu)美的建筑造型和簡(jiǎn)潔合理的結(jié)構(gòu)形式成為現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)中使用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式之一。通過在圓柱面上的一組缺陷中獲得的空殼是一種比傳統(tǒng)網(wǎng)殼更動(dòng)態(tài)、更設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式，具有特殊的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度?？諝夤艿慕Y(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛使用了很長(zhǎng)時(shí)間。例如，圖1中的佛陀圣殿的屋頂是由四個(gè)圓柱面組成的破碎波管。圖2顯示了英國倫敦第三國際機(jī)場(chǎng)絲綢之路戴德的空間景觀。這是從四邊形的死胡板提升的。近年來，中國科學(xué)家也在本科的計(jì)算機(jī)殼體方面做出了一些研究成果。自去年世紀(jì)末以來，日本科學(xué)家川口維以張拉的一般思想首次提出了彈簧提升的概念，將強(qiáng)制安裝的預(yù)緊結(jié)構(gòu)與剛性支撐網(wǎng)的結(jié)構(gòu)相結(jié)合，充分發(fā)揮材料的壓力特性，達(dá)到了優(yōu)化結(jié)構(gòu)的目的。基于這一理念，將具有獨(dú)特形狀和良好耐用性的網(wǎng)管網(wǎng)殼與柔性網(wǎng)管體系結(jié)合起來，提出了新的網(wǎng)管網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系。本文首先提出了新型索承叉筒網(wǎng)殼的概念,并給出了三種不同的分類方法,基本概括了索承叉筒網(wǎng)殼的形體;然后討論了索承叉筒網(wǎng)殼的組合形式,可以覆蓋較大面積,尤其適用于現(xiàn)代火車站的雨棚結(jié)構(gòu)和大跨度工業(yè)廠房;最后以谷線式弦支叉筒網(wǎng)殼為例,進(jìn)行了受力性能研究.1下叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu).索承叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是由剛性的叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與柔性的預(yù)應(yīng)力索桿體系組合而形成的一種新型雜交空間結(jié)構(gòu)體系.對(duì)于索承叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),可以從兩方面來考慮:一是為上部剛性叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力,提供彈性支座;二是將弦支穹頂結(jié)構(gòu)上部的穹頂換成叉筒網(wǎng)殼,改善其受力性能,同時(shí)也增大了空間利用率,使結(jié)構(gòu)空間開闊并易于組合擴(kuò)展.索承叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系可以從網(wǎng)格劃分、叉筒形體、布索方式分為以下三類.1.1索承叉筒網(wǎng)格形式的選擇叉筒網(wǎng)殼是由若干個(gè)圓柱面網(wǎng)殼相貫組合而成,其網(wǎng)格劃分形式與圓柱面網(wǎng)殼一樣,可分為聯(lián)方型、正交正放型、單斜桿型、雙斜桿型、三向網(wǎng)格Ⅰ型、三向網(wǎng)格Ⅱ型、米字網(wǎng)格型等七種基本形式.因此,根據(jù)上部叉筒網(wǎng)殼網(wǎng)格劃分形式對(duì)索承叉筒網(wǎng)殼進(jìn)行分類也可大致分為這七類,如圖3～圖6所示.網(wǎng)格形式的選擇應(yīng)結(jié)合施工條件,盡量簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)構(gòu)造,保證焊接質(zhì)量.當(dāng)相貫圓柱面單元較多時(shí),應(yīng)盡量選擇使叉筒中心節(jié)點(diǎn)相交桿件數(shù)較少的網(wǎng)格布置形式,例如聯(lián)方型、三向網(wǎng)格Ⅰ型等.1.2脊線式叉筒網(wǎng)殼內(nèi)受力特點(diǎn)根據(jù)圓柱面相貫的方式和角度可以將叉筒網(wǎng)殼分為無傾角脊線式(圖7)、有傾角脊線式(圖8)、無傾角谷線式(圖9)和有傾角谷線式(圖10).脊線式叉筒網(wǎng)殼邊緣處于同一水平面,均可落地,與一般凱威特型穹頂類似,但傳力路徑和受力特點(diǎn)不同;谷線式叉筒網(wǎng)殼邊緣起拱,需采用點(diǎn)支承或邊緣桁架支承,谷線處受力較明顯,為傳力的主要路徑.若圓柱面與水平面成一角度相貫,形成錐形或凹形叉筒曲面,具有向上或向下的傾角,則構(gòu)成了有傾角的叉筒網(wǎng)殼,可以改善受力性能,滿足建筑構(gòu)形及內(nèi)部空間的要求.1.3根據(jù)織物的形狀分類1.3.1拉索式叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的改進(jìn)拉索式是在叉筒的下部布置一根或多根預(yù)應(yīng)力拉索,達(dá)到改善其力學(xué)性能的目的.這種施加預(yù)應(yīng)力的方式簡(jiǎn)單明了,拉索利用率高,可以直接平衡結(jié)構(gòu)對(duì)支座的水平力,降低支座的剛度要求,圖11所示為部分拉索式叉筒網(wǎng)殼.1.3.2張弦結(jié)構(gòu)方式張弦式叉筒網(wǎng)殼是將張弦梁的理論引入空間結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)的部分區(qū)域形成張弦結(jié)構(gòu),與張弦梁結(jié)構(gòu)類似,在節(jié)點(diǎn)處提供彈性支承,達(dá)到改善受力性能的目的.如圖12中所示為兩種常規(guī)的張弦方式.1.3.3弦支叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)弦支穹頂將網(wǎng)殼和索穹頂結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來,由于其合理的受力性能,在現(xiàn)代大跨度空間結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用.類似地,在叉筒網(wǎng)殼下部加上弦支體系,改善上部叉筒網(wǎng)殼受力狀況,就得到了弦支叉筒網(wǎng)殼.弦支體系布索合理,可與上部網(wǎng)格劃分融合,保持外形美觀和一定的空間利用率.圖13～圖16分別給出了幾種典型的弦支叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式.1.3.4預(yù)應(yīng)力充放電布索方式如圖17所示為拉索和張弦混合式索承叉筒網(wǎng)殼,邊緣由單根拉索施加預(yù)應(yīng)力可平衡支座受到的水平面推力,叉筒中部張弦體系改善上部網(wǎng)殼受力狀態(tài),提高承載能力.依此類推,亦可有拉索和弦支混合式、張弦和弦支混合式和拉索、張弦與弦支混合式等多種布索方式.2織承叉筒網(wǎng)殼組合拼接叉筒網(wǎng)殼一般適用于中小跨度結(jié)構(gòu),施加預(yù)應(yīng)力雖然可以改善其受力性能,增加跨度范圍,但要應(yīng)用于大跨度結(jié)構(gòu)時(shí),最好的方法就是將叉筒網(wǎng)殼進(jìn)行組合拼接,將上述各種形式的索承叉筒網(wǎng)殼任意一種作為結(jié)構(gòu)單位在平面上擴(kuò)展,可以構(gòu)造出形式多樣的建筑造型,如圖18～圖21所示.這種組合后的大跨度結(jié)構(gòu),覆蓋面積大大增加,空間受力性能優(yōu)勢(shì)明顯,且便于管道鋪設(shè)與排水處理,尤其適合于現(xiàn)代火車站站臺(tái)雨棚等需要較大覆蓋面積的空間結(jié)構(gòu).3模型和靜力特性的計(jì)算3.1豎桿生長(zhǎng)情況模型上部采用三角形網(wǎng)格劃分,下部為肋環(huán)型弦支體系,弦支叉筒網(wǎng)殼十二個(gè)邊界點(diǎn)三向鉸接支承,如圖22所示.上部叉筒網(wǎng)殼桿件截面均為?425×10,彈性模量2.06×1011N/m2,密度為7.85×103kg/m3;豎桿G1、G2、G3長(zhǎng)度分別為9.8m、7.3m、6m,截面積均為50cm2;拉索截面積為100cm2,彈性模量1.8×1011N/m2,密度為6.55×103kg/m3.結(jié)構(gòu)承受除自重外,0.5kN/m2的附加恒荷載、0.5kN/m2的活荷載,采用1.2倍恒載+1.4倍活載作為荷載設(shè)計(jì)值.利用ANSYS分析軟件對(duì)其進(jìn)行靜力分析,模型采用Beam188單元模擬梁?jiǎn)卧?Link8和Link10單元分別模擬桿單元和索單元,通過初始應(yīng)變法引入預(yù)應(yīng)力.模型尺寸見圖23(a),跨度為100m,矢高為10m,為了解結(jié)構(gòu)受力性能及方便與叉筒網(wǎng)殼進(jìn)行對(duì)比,選取叉筒網(wǎng)殼12個(gè)節(jié)點(diǎn)(圖23(b))、8個(gè)徑向單元和8個(gè)環(huán)向單元(圖23(c)).3.2弦支叉筒網(wǎng)殼預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)將若干個(gè)矢跨比相等的柱面網(wǎng)殼相貫得到的叉筒網(wǎng)殼克服了柱面網(wǎng)殼波向和跨向兩個(gè)方向剛度存在差異的缺點(diǎn),當(dāng)下部弦支時(shí),施加預(yù)應(yīng)力時(shí)較柱面網(wǎng)殼容易,斜索的預(yù)應(yīng)力方向與支座反力方向相同.預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)一般包括兩方面內(nèi)容,即預(yù)應(yīng)力分布和預(yù)應(yīng)力水平.文獻(xiàn)借鑒了斜拉橋結(jié)構(gòu)中確定初始索力的剛性索法,提出了應(yīng)用于弦支穹頂結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力分布確定的彈性支座法.本文采用彈性支座法和找力方法相結(jié)合的預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)法來設(shè)計(jì)弦支叉筒網(wǎng)殼的預(yù)應(yīng)力.(1)將下部索桿體系的彈性模量放大500倍,在一定荷載工況作用下得到各圈環(huán)索的內(nèi)力比;(2)由圖24所示的幾何關(guān)系可知:FXS=2FHScosβ/sinα(1)FSG=FXScosα=2FHScosβcotα(2)(3)保持以上預(yù)應(yīng)力分布,以最外圈環(huán)索初始預(yù)應(yīng)力為設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力水平,在滿跨1.2倍恒載+1.4倍活載的荷載工況作用下水平支座反力等于零為目標(biāo),利用ANSYS的APDL語言編程進(jìn)行預(yù)應(yīng)力優(yōu)化.表1為預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)所得弦支叉筒網(wǎng)殼模型各索桿初始預(yù)應(yīng)力分布.3.3叉筒網(wǎng)殼下索桿體系的彈性段圖25、圖26分別為弦支叉筒網(wǎng)殼環(huán)向和徑向桿件軸力分布圖,叉筒網(wǎng)殼環(huán)向桿件最大軸力值為956.8kN,徑向桿件最大軸力值為3047.7kN;弦支叉筒網(wǎng)殼環(huán)向桿件軸力最大值為945.1kN,徑向桿件軸力最大值為1368.3kN.弦支叉筒網(wǎng)殼的環(huán)向與徑向桿件軸力均有所減小,且軸力分布更加均勻,尤其是谷線上的徑向桿件由于是上部網(wǎng)殼傳力的重要路徑,其軸力較大,弦支叉筒網(wǎng)殼谷線上的桿件有下部豎桿提供彈性支承,因而得到了較大的改善.而環(huán)向桿件沒有直接受到豎桿的彈性支撐,軸力實(shí)際上是通過谷線桿件傳遞到支座處,谷線桿件形成的十二條落地拱成為了結(jié)構(gòu)的骨架,受力仍然集中于徑向桿件,因此環(huán)向桿件的受力變化較小.正因?yàn)檫@樣,下部索桿體系提供的向上的彈性支承發(fā)揮了較高的效率.值得注意的是,在叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中環(huán)向桿件H8由于結(jié)構(gòu)整體的變形特點(diǎn)產(chǎn)生了拉力,而弦支體系為結(jié)構(gòu)整體提供了足夠的支撐,使其不再受拉.圖27為水平支座反力曲線,可它兩種結(jié)構(gòu)的水平支座反力均隨荷載線性變化,不同的是,叉筒網(wǎng)殼的水平支座反力隨著荷載增大而不斷增大,最終將達(dá)到2617kN,而根據(jù)預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)的要求,弦支叉筒網(wǎng)殼支座反力隨著荷載增大而減小,最終降為零.圖28為谷線式弦支叉筒網(wǎng)殼各節(jié)點(diǎn)豎向位移分布圖,可知由于下部索桿體系為叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)提供了良好的彈性支承,弦支叉筒網(wǎng)殼相對(duì)于叉筒網(wǎng)殼來說,不僅大大減小了豎向位移大小,而且改善了位移的分布,叉筒網(wǎng)殼和弦支叉筒網(wǎng)殼兩種結(jié)構(gòu)位移變化最大的都是中心節(jié)點(diǎn)8,分別達(dá)到336.8mm和85.7mm,弦支叉筒網(wǎng)殼僅為叉筒網(wǎng)殼的1/4左右.4參數(shù)分析影響弦支叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)靜力性能的主要參數(shù)有初始預(yù)應(yīng)力水平、桿件截面、豎桿長(zhǎng)度、矢跨比和傾角等,本節(jié)對(duì)結(jié)構(gòu)靜力性能進(jìn)行參數(shù)分析.4.1環(huán)索預(yù)應(yīng)力水平對(duì)約束力的影響保持上部桿件截面、下部索桿體系預(yù)應(yīng)力分布等其他參數(shù)條件不變,預(yù)應(yīng)力水平分別取初始預(yù)應(yīng)力水平的0.8、0.9、1.0、1.1、1.2倍,研究預(yù)應(yīng)力水平對(duì)弦支叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)靜力性能的影響.圖29、圖30分別為不同預(yù)應(yīng)力水平下弦支叉筒網(wǎng)殼環(huán)向桿件和徑向桿件軸力分布圖.由圖可知預(yù)應(yīng)力水平的變化對(duì)環(huán)向桿件軸力影響很小,對(duì)徑向桿件軸力有一定影響,隨著預(yù)應(yīng)力水平的提高而增大,且增大的幅度基本一致.究其原因,是由谷線式叉筒網(wǎng)殼的受力特點(diǎn)決定的,環(huán)向桿件軸力最終通過徑向桿件傳導(dǎo)至支座,豎桿的支撐作用直接影響的是徑向桿件.圖31為不同預(yù)應(yīng)力水平下水平支座反力隨荷載變化曲線.由圖可知,各預(yù)應(yīng)力水平下支座反力均隨荷載的增大而線性減小.由于環(huán)索預(yù)應(yīng)力大小在支座水平方向的分量直接與水平支座反力平衡,因而預(yù)應(yīng)力水平的高低對(duì)水平支座反力有較大的影響.圖32為不同預(yù)應(yīng)力水平下節(jié)點(diǎn)豎向位移分布對(duì)比圖,五種預(yù)應(yīng)力水平作用下,結(jié)構(gòu)的豎向位移分布基本一致,最大豎向位移均發(fā)生在結(jié)構(gòu)中心節(jié)點(diǎn)8,預(yù)應(yīng)力水平的變化對(duì)結(jié)構(gòu)豎向位移大小影響較為顯著,隨著預(yù)應(yīng)力水平的提高,豎向位移逐漸減小,且各點(diǎn)豎向位移隨預(yù)應(yīng)力水平的變化幅度基本相同.表2列出了不同預(yù)應(yīng)力水平下結(jié)構(gòu)位移及軸力的最大值.隨著預(yù)應(yīng)力水平的提高最大豎向位移值從109.64mm減小到62.19mm,變化幅度約為43.3%,環(huán)向桿件軸力最大值變化較小,幅度只有6.6%;徑向桿件軸力變化幅度相對(duì)較大,達(dá)到30.6%;水平支座反力受預(yù)應(yīng)力水平的影響后方向改變,由向內(nèi)的推力變?yōu)橄蛲獾睦?總之,預(yù)應(yīng)力水平對(duì)豎向位移及水平支座反力影響較大,對(duì)桿件軸力有一定的影響,但影響有限,單純提高預(yù)應(yīng)力水平并不能合理改善結(jié)構(gòu)靜力性能,反而增加施工的難度和成本.弦支叉筒網(wǎng)殼靜力性能的提高,預(yù)應(yīng)力并不是起決定作用的,歸根結(jié)底是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)體系的變化.4.2改革的結(jié)構(gòu)模型分別采用0.06、0.08、0.10、0.12四種矢跨比進(jìn)行分析,以研究矢跨比對(duì)結(jié)構(gòu)靜力性能的影響.四種矢跨比模型中,保證截面尺寸、斜索與豎桿的夾角及預(yù)應(yīng)力水平等其他參數(shù)不改變.圖33、圖34分別為不同矢跨比弦支叉筒網(wǎng)殼環(huán)向桿件及徑向桿件軸力分布圖.可知隨著矢跨比的提高各桿件軸力均減小,但幅度較小,矢跨比對(duì)環(huán)向桿件軸力和徑向桿件軸力影響較小.圖35為不同矢跨比結(jié)構(gòu)水平支座反力隨荷載的變化曲線.由圖可知,各支座反力均隨荷載的增大線性減小,矢跨比小于0.1時(shí),支座水平反力最終為向內(nèi)的推力,表明矢跨比越小,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的向外水平推力越大.圖36為不同矢跨比結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)豎向位移分布對(duì)比圖.四種結(jié)構(gòu)的豎向位移分布基本一致,最大豎向位移均發(fā)生在結(jié)構(gòu)中心節(jié)點(diǎn)8,由圖可見,矢跨比對(duì)結(jié)構(gòu)豎向位移影響較大,所有節(jié)點(diǎn)撓度均隨著矢跨比的增大而減小,但當(dāng)矢跨比大于0.1之后,這種影響減小.表3列出了不同矢跨比結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移、軸力及水平支座反力的最大值.隨著矢跨比的增大豎向位移最大值從139.74mm減小到81.03mm,變化幅度約為42%;環(huán)向桿件軸力最大值變化幅度為29.2%;徑向桿件軸力變化幅度為24.8%;隨著矢跨比的增大,結(jié)構(gòu)向外的推力減小,水平支座反力由向內(nèi)的推力變?yōu)橄蛲獾睦?總之,當(dāng)矢跨比小于0.1時(shí),其對(duì)豎向位移、徑向桿件軸力及水平支座反力有較大的影響,增大豎桿長(zhǎng)度能有效改善結(jié)構(gòu)靜力性能,但矢跨比大于0.1后對(duì)結(jié)構(gòu)性能的提高有限.4.3大學(xué)生安全分析分別使圓柱面網(wǎng)殼與水平面成0°、2°、4°、6°、8°、10°、12°傾角相貫得到不同傾角的弦支叉筒網(wǎng)殼,研究?jī)A角對(duì)結(jié)構(gòu)靜力性能的影響.七種不同傾角的模型中,保持截面尺寸、斜索與豎桿的夾角及預(yù)應(yīng)力水平等其他參數(shù)不改變.圖37、圖38分別為不同傾角弦支叉筒網(wǎng)殼環(huán)向桿件及徑向桿件軸力分布圖.由圖可知環(huán)向桿件的軸力分布有所變化,傾角越高,環(huán)桿軸力越小,結(jié)構(gòu)中部的徑向桿件受力明顯減小.中心節(jié)點(diǎn)的抬高改變了整體結(jié)構(gòu)的受力分布.圖39為不同傾角結(jié)構(gòu)水平支座反力隨荷載的變化曲線.由圖可知,各支座反力均隨荷載的增大線性減小,傾角越大需要的水平推力越小.圖40為不同傾角結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)豎向位移分布對(duì)比圖.傾角明顯改善了結(jié)構(gòu)的豎向位移分布,最大豎向位移不再發(fā)生在結(jié)構(gòu)中心節(jié)點(diǎn)8,那是因?yàn)閮A角使得結(jié)構(gòu)受力更多地作用于支座,而不是將結(jié)構(gòu)中心區(qū)域往下壓.表4列出了不同傾角結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移、軸力及水平支座反力的最大值.隨著傾角的增大豎向位移最大值從85.71mm減小到34.36mm,變化幅度約為59.9%;環(huán)向桿件軸力最大值變化幅度1.8%;徑向桿件軸力變化幅度相對(duì)較大,達(dá)到21.8%;隨著矢跨比的增大,結(jié)構(gòu)向外的推力減小.總之,抬高中心節(jié)點(diǎn)使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的傾角,對(duì)豎向位移、徑向桿件軸力及水平支座反力有較大的改善作用,改變了結(jié)構(gòu)的受力分布與位移分布,但當(dāng)傾角大于10°之后對(duì)結(jié)構(gòu)靜力性能的提高有限.5索承叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)本文首先給出了索承叉筒網(wǎng)殼的概念及其形式與分類,并提出了以索承叉筒網(wǎng)殼為單元,構(gòu)建具有良好空間受力性能的大面積結(jié)構(gòu)的設(shè)想,然后以六邊形谷線式弦支單層叉筒網(wǎng)殼為例,進(jìn)行了靜力分析,與不引入