網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與下部支承體系協(xié)同工作研究綜述

1、    網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與下部支承體系協(xié)同工作研究綜述    王琨摘要：隨著網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，其力學(xué)性能的研究日益受到重視。針對目前分析網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)所采用方法中存在的不足，本文綜合論述了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與下部支承體系協(xié)同工作的研究現(xiàn)狀，對需要進(jìn)一步開展的工作進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；下部支承體系；協(xié)同工作；綜述一、引言隨著生活水平的提高，人們需要有最大自由空間及最小內(nèi)支撐干擾的結(jié)構(gòu)，如體育館、會展中心、飛機(jī)場、工業(yè)廠房等來滿足社會活動和生產(chǎn)勞動的需求。由于結(jié)構(gòu)形式的限制，一般平面結(jié)構(gòu)，如剛架、桁架、拱等已很難跨越更大的空間來滿足飛速發(fā)展的社會需求?？臻g結(jié)構(gòu)具有三維空間

2、形狀及三維受力特性，可跨越更大空間，能適應(yīng)不同建筑造型和功能的要求，正好能滿足大跨度建筑結(jié)構(gòu)的要求。近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，空間結(jié)構(gòu)在形體研究的計(jì)算方法上有了新的突破，使形體與受力完美結(jié)合成為可能。但由于幾何形狀的獨(dú)特性和約束條件的不規(guī)則，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)需采用三維有限元的分析模型，同時實(shí)際設(shè)計(jì)中計(jì)算設(shè)計(jì)軟件等方面存在局限，常常需要將上部網(wǎng)殼屋蓋結(jié)構(gòu)與下部支承結(jié)構(gòu)分別計(jì)算，對結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力和節(jié)點(diǎn)位移產(chǎn)生影響。在強(qiáng)震作用下，下部支承結(jié)構(gòu)振動將對上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的桿件產(chǎn)生較大的地震作用，影響網(wǎng)殼本身的承載能力。二、研究現(xiàn)狀綜述在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算的初始階段，為了簡化計(jì)算，常把上部的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與下部的支承體系

3、分開考慮，大多以簡支或固支邊界來模擬網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的支承情況1-3，進(jìn)行獨(dú)立的力學(xué)性能計(jì)算。但在進(jìn)行抗震分析時，地震作用通過地面運(yùn)動傳給支承結(jié)構(gòu)，而后由支承結(jié)構(gòu)傳給網(wǎng)殼，支座剛度對于網(wǎng)殼的桿件內(nèi)力及節(jié)點(diǎn)撓度均會產(chǎn)生影響。若不考慮上部網(wǎng)殼與下部支承結(jié)構(gòu)協(xié)同工作的影響來進(jìn)行網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)抗震性能的研究，將會與實(shí)際情況產(chǎn)生較大的偏差。近年來，一些研究和設(shè)計(jì)已經(jīng)采用彈性支座模型來分析網(wǎng)殼。文獻(xiàn)4采用彈性支座模型對單層球面網(wǎng)殼的地震反應(yīng)進(jìn)行研究，指出支座剛度的改變明顯影響網(wǎng)殼地震內(nèi)力，并建議有下部支承結(jié)構(gòu)時，考慮網(wǎng)殼與支承結(jié)構(gòu)的共同作用。文獻(xiàn)5提出了考慮網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)協(xié)同工作的簡化處理方法，將支承結(jié)構(gòu)簡化為彈簧

4、和附加質(zhì)量，進(jìn)而考慮下部支承結(jié)構(gòu)的彈性效應(yīng)和附加慣性效應(yīng)。建議在進(jìn)行網(wǎng)殼屋蓋設(shè)計(jì)時，不應(yīng)孤立地設(shè)計(jì)網(wǎng)殼，而應(yīng)整體地考慮網(wǎng)殼在結(jié)構(gòu)體系中的作用及它與下部結(jié)構(gòu)的相互聯(lián)系。文獻(xiàn)6結(jié)合成都雙流機(jī)場候機(jī)樓屋面大跨度單層柱面網(wǎng)殼，將網(wǎng)殼與頂層支承梁、柱協(xié)同計(jì)算，對彈性支承的大跨單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，認(rèn)為對于支承于梁、柱上的單層柱殼的穩(wěn)定分析和撓度計(jì)算必須與下部支承梁柱系統(tǒng)分析才能得到正確結(jié)果。文獻(xiàn)7結(jié)合重慶市袁家崗體育中心跳水、游泳館屋面網(wǎng)殼，探討了不同支座彈性剛度對網(wǎng)殼內(nèi)力的影響，認(rèn)為支座彈性剛度對網(wǎng)殼桿件內(nèi)力有明顯的影響，在采用彈性支座模型分析網(wǎng)殼時支座檀香剛度的確定非常重要，將直接影響

5、網(wǎng)殼設(shè)計(jì)是否安全、經(jīng)濟(jì)。鑒于上部網(wǎng)殼與下部支承結(jié)構(gòu)協(xié)同工作具有重要的工程意義，曹資、張毅剛、薛素鐸等人開始對網(wǎng)殼與下部支承組合體系的協(xié)同工作性能進(jìn)行了初步的探索和研究。文獻(xiàn)8以雙層柱面網(wǎng)殼為研究對象，系統(tǒng)地研究了網(wǎng)殼屋蓋與下部支承結(jié)構(gòu)共同工作問題。通過對固定鉸支座、彈性支座和整體分析模型多個網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的對比，指出若不考慮支承剛度而按固定鉸支承進(jìn)行分析將使設(shè)計(jì)存在極大的安全隱患，而按彈性支座網(wǎng)殼模型進(jìn)行分析，在內(nèi)力分布規(guī)律和內(nèi)力大小上與整體模型分析都比較接近，論證了以彈性支座模型替代整體分析模型的可行性。文獻(xiàn)9對框支式豎向網(wǎng)架結(jié)構(gòu)按照整體模型、固定鉸支承模型和彈性鉸支承模型分別進(jìn)行了靜力、

6、動力特性及水平地震反應(yīng)的對比分析，指出固定鉸支承模型是不安全的，彈性支承模型是適宜的選擇。由于很少把網(wǎng)殼與下部支承體系作為一個整體來進(jìn)行研究，對于剛網(wǎng)殼與混凝土支承體系不同材料組合體系的阻尼比的計(jì)算就成了考慮整體協(xié)同工作的空間結(jié)構(gòu)研究發(fā)展所要突破的一大難題。近年來，對不同材料組成的組合結(jié)構(gòu)的阻尼比的研究有了巨大突破【8，10,11】。其中位能加權(quán)平均法就是一種很好的方法之一，能夠簡便合理地計(jì)算組合結(jié)構(gòu)的阻尼比。對于位能加權(quán)平均法的詳細(xì)算法，可參考文獻(xiàn)8，此處不再贅述。三、需要進(jìn)一步研究的問題1.在工程設(shè)計(jì)中，由于計(jì)算設(shè)計(jì)軟件等方面的限制，對于大跨網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)常常需要將上部網(wǎng)殼屋蓋結(jié)構(gòu)與下部支承體系

7、分別計(jì)算。下部結(jié)構(gòu)的共同作用改變了網(wǎng)殼桿件受力變化規(guī)律，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮下部結(jié)構(gòu)共同作用對網(wǎng)殼整體的影響。2.鋼-混凝土組合體系阻尼比的計(jì)算方法仍不成熟，爭論較多，怎樣才能統(tǒng)一計(jì)算方法，編寫相對應(yīng)的計(jì)算程序來方便工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)用有待進(jìn)一步探討。3.工程設(shè)計(jì)現(xiàn)有條件下，大多利用彈性支承模型來替代整體模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力的相關(guān)計(jì)算，支承剛度的確定關(guān)乎計(jì)算結(jié)果是否能與整體模型的結(jié)果一致。對支承剛度的選擇尚需通過大量算例統(tǒng)計(jì)分析解決。參考文獻(xiàn):1 任小強(qiáng), 孫建恒, 夏亨燾等. 帶邊桁架單層柱面異型網(wǎng)殼的靜力特性分析j. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 25(3)：96-101.2 徐聞, 孫建恒,

8、 姚洪濤等. 單層柱面正交異型網(wǎng)殼的動力特性研究j. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 28(1): 83-88.3 陳聯(lián)盟, 趙陽, 董石麟. 單層脊線式叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)性能研究j. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版）, 2004, 38(8): 971-977.4 曹資, 張毅剛. 單層球面網(wǎng)殼地震反應(yīng)特征分析j. 建筑結(jié)構(gòu), 1998, 7.5 陳應(yīng)波, 陳明軍. 網(wǎng)殼與下部結(jié)構(gòu)協(xié)同工作地研究j. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2004, 3, 32(3): 49-53.6 郭海山, 沈世釗, 蔣曉瑩等. 彈性支承單層柱面網(wǎng)殼穩(wěn)定性j. 空間結(jié)構(gòu), 2002, (02).7 馮遠(yuǎn), 王立維, 李立達(dá). 重慶市游泳、跳水館網(wǎng)殼設(shè)計(jì)j. 建筑結(jié)構(gòu), 2004, (07).8 曹資, 張超, 張毅剛等. 網(wǎng)殼屋蓋與下部支承結(jié)構(gòu)動力相互作用研究j. 空間結(jié)構(gòu), 2001, 7(2): 19-26.9 張毅剛, 朱虹. 框支式豎向網(wǎng)架與下部支承結(jié)構(gòu)的共同作用與簡化計(jì)算a. 管結(jié)構(gòu)技術(shù)交流會論文集, 2001.10