单层网壳结构弹塑性稳定性和优化设计研究_薛慧立

图 2 网壳整体模型
屋面活荷载取 015kNΠm2 ;屋面自重取 014kNΠm2 ;屋 面吊 挂 荷 载 ( 含 吊 顶 板) 取 016kNΠm2 ; 基 本 风 压 取 015kNΠm2 (100 年一遇) ,风压高度变化系数按 B 类地面 粗糙度采用 ,由于体形复杂 , 体型系数按风洞试验确 定 ;基本雪压取 0145kNΠm2 (100 年一遇) ,设计中考虑了 不对称分布的雪荷载对结构的影响 。温度应力分析时 所采用的温度作用按室内外分别取值 。钢结构安装校 准温度假定为 15 ±5 ℃,室外部分最大温差取 ±25 ℃, 室内部分最大温差取 ±15 ℃。
几何非线性弹塑性极限承载力比与荷载工况 表 1
线弹性 几何非线性弹性 几何非线性弹塑性
工
况
前 10 阶控制荷载组合
外力 势能
排
极限 承载
变形
排
极限 承载
变形
排
(kN·m) 序 力比 (mm) 序 力比 (mm) 序
28 110 DL + 110LL1 + 016 Wk4 + 016 Tk2 27 110 DL + 110LL1 + 016 Wk3 + 016 Tk2 76 110 DL + 110LL5 + 016 Wk4 + 016 Tk2 75 110 DL + 110LL5 + 016 Wk3 + 016 Tk2 70 110 DL + 110LL5 + 016 Wk4 69 110 DL + 110LL5 + 016 Wk3 22 110 DL + 110LL1 + 016 Wk4 21 110 DL + 110LL1 + 016 Wk3 40 110 DL + 110LL2 + 016 Wk4 + 016 Tk2 39 110 DL + 110LL2 + 016 Wk3 + 016 Tk2
通过结构方案比较 ,屋盖采用 6 跨连续单层钢网 壳结构 ,覆盖面积为 1512 万 m2 ,是目前国内覆盖面积 最大的单层网壳之一 。网壳南北方向最大跨度约 70m , 东西方向总长度约为 243m ,由位于纵向外墙各网壳坡 谷处的 14 个柱墩支承 ,最大柱间距约为 55m。屋面最高 点为 29146m ,其中约 4m ×9m 至 2m ×2m 不规则锥台形 的钢骨混凝土柱墩高度为 2115m ,采用C60混凝土 。
设计中考虑了恒载 DL 、均布活载 LL1 、隔跨均布 活载或雪载 LL2 和 LL3 、半跨均布活载或雪载 LL4 和 LL5 、各跨波谷堆积雪载 LL6 、隔跨波谷堆积雪载 LL7 和 LL8 、包括上吸风和下压风在内的 6 种风载 Wk1 ～ Wk6 和温度作用 Tk1 和 Tk2 ,共 17 种基本荷载 。 2 弹塑性稳定控制工况分析
屋面钢结构设计使用年限为 50 年 。抗震设防类 别为乙类 ,抗震设防烈度为 8 度 ,设计地震分组为第一 组 ,设计基本地震加速度值为 012 g ,场地类别为 Ⅲ类 , 场地特征周期为 0145s 。结构阻尼比 ζ= 0102 ,水平地 震影响系数最大值 αmax = 0116 ,竖向地震影响系数 αz 取水平地震影响系数的 65 %。
能量准则是当前被普遍采用的 、判断 保 守 荷 载 系 106
统下结构稳定性的准则 ,完全适用于网壳结构稳定性 的判别[4] 。在采用有限单元法分析结构的整体稳定 时 ,单层网壳结构几何非线性极限承载力比也是一个 衡量整个结构破坏的指标 。它们和结构的弹塑性稳定 因子一样 ,都是整个结构的综合指标 ,而且计算所需机 时和数据准备时间都比较少 。因此希望寻找出通过能 量原理和几何非线性弹性稳定等简化计算确定单层网 壳结构极限承载力控制组合工况的判定准则 ,以大大 减少计算工作量 。
采用通用有限元软件ABAQUS进行稳定分析 ,计算 模型中的单元均采用 Beam32 单元进行模拟 ,有限元模 型采用强化弹塑性模型来模拟钢材 ,荷载按节点荷载 施加 。在进行结构非线性稳定性分析时 ,对荷载2位移 曲线具有下降段的情形采用最有效的修正 Riks 法[14] 。
在进行单层网壳结构整体稳定分析时 ,对 17 种基 本荷载采用了 108 个工况组合 ,分别计算了这些组合 工况的线弹性外力势能 、几何非线性极限承载力比和 几何非线性弹塑性极限承载力比 ,对各组合工况的结 构稳定性和势能进行分析比较 。表 1～3 给出了 3 种 分析部分 结 果 和 依 据 几 何 非 线 性 弹 塑 性 极 限 承 载 力 比 、线弹性外力势能和几何非线性极限承载力比的控 制荷载组合工况排序前 10 项 。表中还分别列出了荷 载2位移曲线中对应几何非线性极限承载力和一致屈 曲几何非线性弹塑性极限承载力的网壳变形值 。
单层网壳由圆形钢管组成的矩形网格构成 ,于网 壳周边和波谷局部位置设置斜杆 。各波谷沿南北向圆 形钢管贯通 ,其余部位沿东西向圆形钢管贯通 ,并用直 线拟合成曲线 ,非贯通钢管与贯通钢管相交节点采用 相贯焊接钢管节点 。
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图 1 民航博物馆鸟瞰图
网壳钢管截面为 <299 ×5～ <600 ×20 ,考虑建筑美 观和结构受力合理 ,周圈外边缘钢管大部分为 <600 × 10 。网壳每个柱脚由三根圆钢管 (大部分为 <600 ×16) 支承在外径为1 500mm、壁厚为 50mm 的半球上 , 圆钢 管和 半 球 内 均 灌 C60 混 凝 土 。各 种 钢 构 件 均 采 用 Q345B 钢 。图 2 为网壳整体模型 。
ห้องสมุดไป่ตู้
Study on Elastic2plastic Stability and Design Optimization of Single2layer Latticed Shell StructureΠXue Huili1 , Gan Ming1 , Ke Changhua1 , Shi Yongjiu2 ( 1 Beijing Institute of Architectural Design , Beijing 100045 , China ; 2 Tsinghua University ,Beijing 100084 ,China) Abstract :Taking the irregular multiple span single2layer latticed shell structure applied in China Civil Aviation Museum as the case example , it researches the elastic2plastic stability and design optimization of single2layer latticed shell structure. Among all load combinations ,a comparison of the distribution patterns of the following is completed. The ratio of the geometrically non2 linearity ultimate bearing capacity to the characteristic value of load , the ratio of the elastic2plastic non2linearity ultimate bearing capacity to the characteristic value of load , and the potential energy ,are studied. To search for the method of choosing dominant load combination from the combined loads for the ultimate bearing capacity of elastic2plastic stability of single2layer latticed shell structure ,and find the practical method of simplification for design optimization of elastic2plastic stability of single2layer latticed shell structure ,the stratification , method and stress ratio reducing method are proposed for the optimization of member section , which makes the complicated design optimization simply. Keywords :single2layer latticed shell ; stability ; geometrical non2linearity ; elastic2plastic buckling ; design optimization
层 ,地上 1 层 ,局部地上 2 层 ,采用钢筋混凝土框架剪 力墙结构 ,被覆盖在单层网壳屋盖下 。建筑侧面外围 护结构均为玻璃幕墙 。
建筑物屋盖的建筑造型创意源于飞机发动机的外 形 ,由 6 个大小不同的发动机外壳面连接组成 ,形成了 象征“白云”和“飞翔”的屋顶 。屋面覆盖材料采用复合 钢板夹心保温屋面系统 。图 1 为建筑效果图 。
0 引言 工程实例和理论分析研究表明 ,复杂的单层网壳
结构仅按《网壳结构技术规程》(J GJ61 —2003) [3] 规定进 行考虑初始缺陷的几何非线性弹性稳定分析是不够 的 ,需要进一步进行弹塑性稳定分析 。
目前对于网壳结构的优化 ,一般仍采用线性满应 力法或考虑几何非线性影响的稳定优化法 ,对于复杂 单层网壳结构可能是不安全的 。由于复杂单层网壳承 载能力是受到整个结构的失稳控制的 ,考虑几何非线 性和弹塑性的整体稳定性通常起控制作用 ,因此在优 化设计中必须加以考虑 。