雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的靜力分析與設(shè)計(jì)說明

1、word完美格式PAGE 精心整理 學(xué)習(xí)幫手雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的靜力分析與設(shè)計(jì)摘要：本文簡(jiǎn)述了雙層網(wǎng)殼的靜力設(shè)計(jì)過程，并通過對(duì)桿件內(nèi)力的分析和變形能力的探討得出如下結(jié)論：雙層網(wǎng)殼這種結(jié)構(gòu)型式具有有較強(qiáng)的承載能力，良好的穩(wěn)定性和優(yōu)越的協(xié)調(diào)變形性能，是各種大跨度建筑值得采用的一種屋蓋型式。關(guān)鍵詞：雙層網(wǎng)殼，柱殼，大跨度空間結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)概況：某展覽館主展廳屋面為弧線形，跨度27m，結(jié)合使用要求，擬采用雙層網(wǎng)殼的屋蓋結(jié)構(gòu)型式。該結(jié)構(gòu)不僅具有有較高的承載能力，且當(dāng)在屋頂安裝照明、空調(diào)等各種設(shè)備及管道時(shí)，它還能有效地利用空間，方便吊頂構(gòu)造，經(jīng)濟(jì)合理。一、柱殼結(jié)構(gòu)的型式與分析1 柱殼結(jié)構(gòu)型式本設(shè)計(jì)所用柱殼采用正放四

2、角錐體系，柱殼跨度27m，矢高4.5m，縱向長(zhǎng)度42m。桿件長(zhǎng)度控制在3m3.5m之間。2 柱殼結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析的核心問題是計(jì)算模型的確定。本設(shè)計(jì)中柱殼結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型為空間鉸接桿系，支承采用四邊支承。每個(gè)周邊節(jié)點(diǎn)處均設(shè)置支座，下圖所示為在有限元分析軟件SAP2000中所建立模型的支座模擬。（注：下圖僅作為表達(dá)柱殼支座形式所用） 圖1 柱殼上弦支座圖圖1中，a點(diǎn)為二向支承（約束x，z方向位移），d點(diǎn)為二向支承（約束y，z方向位移），c點(diǎn)為三向支承（約束x，y，z方向位移），其余帶號(hào)的各點(diǎn)均設(shè)置單向支承（只約束z方向的位移）。柱殼結(jié)構(gòu)為大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，因此采用有限元分析軟件SAP2000對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)

3、分析，并結(jié)合我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)各桿件進(jìn)行截面設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。二、靜力設(shè)計(jì)荷載計(jì)算1）恒載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算屋面構(gòu)件及網(wǎng)殼自重恒載： 0.75 燈具： 0.052）活載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算屋面活載：0.5； 雪荷載：；風(fēng)荷載： C類地貌，風(fēng)壓高度變化系數(shù)查表得，風(fēng)振系數(shù)，基本風(fēng)壓，風(fēng)載體型系數(shù)如圖2所示： 風(fēng)向 圖2 風(fēng)振體型系數(shù)計(jì)算圖因此，有：， ，其中，分別為如圖2所示對(duì)應(yīng)不同體型系數(shù)下的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。2、柱殼上的荷載分布 eq oac(,1)上弦恒載全跨均勻分布（如圖3） 圖3 恒荷載全跨均勻分布圖 下弦恒載全跨均勻分布類似上圖，值大小為（僅為燈具荷載）。 eq oac(,2)屋面活荷載全跨均勻分布（如圖4）

4、 圖4 屋面活荷載全跨均勻分布圖 eq oac(,3)全跨均布雪荷載（如圖5） 圖5 雪荷載全跨均勻分布圖 eq oac(,4)半跨均布雪荷載（如圖6）圖6 雪荷載半跨均勻分布圖 eq oac(,5)全跨不均勻分布雪荷載（如圖7）圖7雪荷載全跨不均勻分布圖 eq oac(,6)風(fēng)荷載（如圖8）： 風(fēng)向 圖8 風(fēng)荷載分布圖圖8中， ， ， ，下同。 風(fēng)荷載為吸力，方向?yàn)殡x開屋面向外。3、荷載組合本設(shè)計(jì)中，荷載主要作用在上弦，下弦僅作用有燈具恒載，因此，為簡(jiǎn)化計(jì)算和利于表達(dá)，現(xiàn)將各組合中的下弦燈具荷載計(jì)算如下：各組合中，下弦荷載設(shè)計(jì)值為：可變荷載控制的組合下：，均勻分布；永久荷載控制的組合下：，均

5、勻分布。以上各值對(duì)各組合均相同。上弦荷載組合如下：取大值風(fēng)荷載全跨均布雪荷載屋面活荷載恒荷載 eq oac(,1)組合1 eq oac(,2) eq oac(,6)當(dāng)風(fēng)向?yàn)閺淖笙蛴視r(shí)（）：由可變荷載控制的組合，荷載分項(xiàng)系數(shù)分別取1.2和1.4荷載設(shè)計(jì)值：1.2 eq oac(,1)1.4 eq oac(,2)1.40.6 eq oac(,6)（矢量相加）荷載分布圖如圖9所示： 圖9 組合1-1）的荷載分布圖由永久荷載控制的組合，荷載分項(xiàng)系數(shù)分別取1.35和1.4荷載設(shè)計(jì)值：1.35 eq oac(,1)1.40.7 eq oac(,2)1.40.6 eq oac(,6)（矢量相加）荷載分布圖如

6、圖10： 圖10 組合1-2）的荷載分布圖當(dāng)風(fēng)向變?yōu)閺挠蚁蜃髸r(shí)，荷載分布與風(fēng)向從左向右時(shí)的荷載分布分別對(duì)稱，二者并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，故不再詳細(xì)敘述。比較可變荷載控制下的組合1-1）與永久荷載控制下的組合1-2），可以知道組合1-1）的豎向分布荷載相當(dāng)于在組合1-2）的豎向分布荷載上添加一個(gè)向下的均布荷載，而后者無(wú)水平分布荷載，因此，組合1-1）比組合1-2）更不利。 恒荷載 eq oac(,1) 組合2 半跨均布雪荷載 eq oac(,4) 風(fēng)荷載 eq oac(,6)同組合1的分析類似：當(dāng)風(fēng)向?yàn)閺淖笙蛴遥ǎr(shí)：由可變荷載控制的組合更不利 荷載分布圖如圖11： 圖11 風(fēng)向從左向右時(shí)組合2-1）的荷

7、載分布圖 恒荷載 eq oac(,1) 組合3 全跨不均布雪荷載 eq oac(,5) 風(fēng)荷載 eq oac(,6)同組合1的分析類似：當(dāng)風(fēng)向?yàn)閺淖笙蛴遥ǎr(shí)：由可變荷載控制的組合更不利荷載分布圖如圖12所示： 圖12 組合3-1）的荷載分布圖最后，綜合比較三種組合：組合1、組合2、組合3下的最不利組合，可以知道組合1的情況最不利。最不利荷載分布為組合1中的由可變荷載控制的組合1-1），其荷載分布圖見圖9。（注：在用SAP2000分析時(shí)，根據(jù)最不利荷載分布設(shè)計(jì)各桿件截面。）節(jié)點(diǎn)荷載計(jì)算在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中，各桿件單元均為二力桿，只承受節(jié)點(diǎn)荷載，因此，在用SAP2000分析，給網(wǎng)殼施加荷載時(shí)，需將各種組

8、合下的分布荷載轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)荷載。如圖13所示： 圖13 節(jié)點(diǎn)荷載計(jì)算示意圖5、桿件設(shè)計(jì)桿件材料與截面形式本柱殼桿件采用鋼材，鋼材的等級(jí)為Q235。桿件的截面形式為圓鋼管，所用鋼管從下列型號(hào)中選?。?03，763.5，894.0，1144.0，1274.5，1405.0，1526.0，1596.0，1598.0。為了施工上的方便，要求所選鋼管在34種之間。桿件選取建立SAP2000模型，并施加最不利組合下的節(jié)點(diǎn)荷載，初選桿件，設(shè)置好各參數(shù)，即可運(yùn)行SAP2000分析該柱殼結(jié)構(gòu)。從分析結(jié)果可以看出：外荷載主要由跨度方向的弦桿承受，縱向弦桿的內(nèi)力較小。如果把柱殼結(jié)構(gòu)的作用看成為跨度方向拱的作用與長(zhǎng)度方

9、向梁的作用相結(jié)合，那么很明顯地，結(jié)構(gòu)以拱的受力作用為主，材料利用率較高。而且，柱殼中內(nèi)力分布比較均勻，傳力路線短，結(jié)構(gòu)受力較為合理?？傮w上看，柱殼結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出上弦桿受壓，下弦桿受拉的特征。上弦最大壓桿和下弦最大拉桿分別出現(xiàn)在上弦和下弦的中部，都屬于跨度方向的弦桿。腹桿受力較為復(fù)雜，受拉與受壓桿件交錯(cuò)排列，而且周邊桿件內(nèi)力較大，中部桿件內(nèi)力較小。支座反力的分布為：四個(gè)角點(diǎn)處支座豎向反力向下，反力值??；其余支座處均向上，反力值大；并且，沿跨度方向布置的支座，跨中支座處反力值較大；沿長(zhǎng)度方向布置的支座，長(zhǎng)跨跨中支座處反力值較大。節(jié)點(diǎn)撓度，中間大，周邊小，中央部分節(jié)點(diǎn)撓度最大。驗(yàn)算最大拉壓桿，如果不滿足

10、截面強(qiáng)度要求，必須重新選取桿件，直至所有桿件的強(qiáng)度條件均符合要求。同時(shí)，還必須保證柱殼的剛度，在正常使用狀態(tài)下其最大撓度不得超過短跨長(zhǎng)度的1/400。另外，由于空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的構(gòu)件“沒有主次”，存在強(qiáng)度過剩問題，因此，為充分利用各桿件，應(yīng)盡可能使用小截面鋼管。同時(shí)，這也將使得整個(gè)結(jié)構(gòu)總用鋼量減少，造價(jià)降低。所選取的桿件統(tǒng)計(jì)如下： 所用鋼管截面分類 總數(shù)目 所在位置、數(shù)目及鋼管下料編號(hào) 1144 25根 上弦橫桿，編號(hào)1 上弦橫桿74根，編號(hào)2 894 82根 下弦橫桿8根，編號(hào)3 上弦縱桿72根，編號(hào)4 763.5 96根 下弦橫桿24根，編號(hào)5 上弦橫桿36根，編號(hào)6；縱桿68根，編號(hào)8 60

11、3 805根 腹桿504根，編號(hào)7 下弦橫桿80根，編號(hào)9；縱桿117根，編號(hào)85） 截面驗(yàn)算組合1-1）（最不利組合）的截面驗(yàn)算，僅選擇1144舉例說明如下：1144：，3號(hào)無(wú)縫鋼管，a類截面，查表得：， （最大壓桿，SAP2000中桿件號(hào)68），滿足（注：此桿不可用894，因?yàn)椋┚C上可知，所選的截面不僅滿足強(qiáng)度要求，而且應(yīng)用了盡可能小的截面，相對(duì)較優(yōu)。此組合作用下，結(jié)構(gòu)最大撓度發(fā)生在231號(hào)節(jié)點(diǎn)，最大值60.4mm27000/400=67.5mm.，因此，無(wú)需再進(jìn)行正常使用狀態(tài)下的撓度驗(yàn)算。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)焊接空心球節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和制造均較簡(jiǎn)單，球體外型美觀、具有萬(wàn)向性，可以連接任意方向桿件，因此為本設(shè)

12、計(jì)所采用，并限定整個(gè)柱殼采用一種規(guī)格的空心球。（1）球體尺寸設(shè)計(jì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程規(guī)定，空心球的直徑應(yīng)使連接在同一球節(jié)點(diǎn)上各桿件之間留出不小于10mm的間隙，根據(jù)此條件可初定球的直徑為 圖14 腹桿與弦桿夾角上弦最大截面弦桿與腹桿相交時(shí)所需球徑最大。此時(shí)， ，夾角弧度。 取，壁厚，在3045之間。經(jīng)上述計(jì)算，確定空心球尺寸為，支座節(jié)點(diǎn)加肋，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)無(wú)肋。（2）節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度驗(yàn)算 上弦以受壓為主，最大壓力，所用桿件為1144。受壓空心球容許承載力為：下弦以受拉為主，最大拉力，所用桿件為894。受拉空心球容許承載力為： 節(jié)點(diǎn)符合強(qiáng)度要求。材料表?xiàng)U件材料表，見表1：表1桿件材料表編號(hào)桿件規(guī)格幾何長(zhǎng)度（

13、mm）下料長(zhǎng)度（mm）單 重（kg）根 數(shù)合計(jì)重（kg）1 11443215301532.71325817.8252 8943215301525.266741869.6843 8942882268222.4758179.84 763.53000280017.528721262.0165 763.52882268216.78924402.9366 6033215301512.72336458.0287 6033162296212.50050463008 6033000280011.8161852185.969 6032882268211.31880905.44總 計(jì)100814381.689（2

14、）焊接空心球材料表，見表2表2 焊接空心球材料表直 徑（mm）厚 度（mm）單個(gè)球重（kg）焊接球個(gè)數(shù)合計(jì)重（kg）20065.642761556.64溫度變化引起的支座側(cè)移計(jì)算根據(jù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程，在單位力作用下，溫度變化引起的支座處位移由下式計(jì)算： 設(shè)定工程竣工時(shí)，溫度為，當(dāng)?shù)叵募咀罡邷囟葹?，冬季最低溫度為?？倐?cè)移而在最不利荷載組合下的支座最大側(cè)移為。因?yàn)?，因此支座設(shè)計(jì)時(shí)將按照荷載作用下的側(cè)移進(jìn)行設(shè)計(jì)。9、支座節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)出于減少水平推力的需要，要求支座本身是一個(gè)具有確定數(shù)值抗側(cè)剛度的彈性支座。比較各種支座形式（如平板支座、弧形支座、球鉸支座和橡膠支座）后，決定選用板式橡膠支座。該

15、支座是在平板壓力支座的支承底板與支承面頂板間設(shè)置一塊由多層橡膠片與薄鋼板粘合、壓制成的矩形橡膠墊板，并以錨栓相連使成一體。這種橡膠墊板由具有良好彈性的橡膠片以及具有一定強(qiáng)度的薄鋼板組合而成，不僅可使柱殼支座節(jié)點(diǎn)在不出現(xiàn)大豎向壓縮變形的情況下獲得足夠的承載能力，而且橡膠墊板良好的彈性也可產(chǎn)生較大的剪切變位，因而既可以適應(yīng)柱殼支座節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)要求，又能適應(yīng)柱殼支座節(jié)點(diǎn)由于溫度變化、地震作用所產(chǎn)生的水平變位。目前國(guó)內(nèi)常用的橡膠墊板采用的膠料主要有氯丁橡膠、天然橡膠等。氯丁橡膠是一種人工合成材料，它不但具有天然橡膠的基本特性，而且具有較強(qiáng)的抗腐蝕與抗老化的能力，使用壽命長(zhǎng)，因此本設(shè)計(jì)橡膠墊板中的膠料采用

16、氯丁橡膠，橡膠墊板的膠片硬度為邵氏硬度60。在本設(shè)計(jì)中，受拉支座只有4個(gè)，均分布在角部，且拉力較小，因此為簡(jiǎn)便起見，采用與壓力節(jié)點(diǎn)相同的構(gòu)造，并在最后驗(yàn)算錨栓的承拉性能。三、靜力設(shè)計(jì)結(jié)果分析在SAP2000中按照此前靜力設(shè)計(jì)的結(jié)果選取各桿件的型號(hào)并將荷載組合1-1）（最不利組合）、荷載組合2-1）以及荷載組合3-1）施加于結(jié)構(gòu)上，運(yùn)行SAP2000分析得到各種組合下的桿件軸力、支座反力和節(jié)點(diǎn)位移。分析結(jié)果，得：1）從三種不利工況（組合1-1）、組合2-1）和組合3-1）下桿件軸力圖的比較發(fā)現(xiàn)：在荷載全跨均勻分布下，柱殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力最大；荷載全跨不均勻分布時(shí)，柱殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力較大；在荷載半跨均勻分布

17、時(shí)，柱殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力最小。表明：柱殼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較好，抵抗不均勻分布荷載能力強(qiáng)。主要因?yàn)橹鶜そY(jié)構(gòu)具有較高的超靜定次數(shù)，剛度大，安全儲(chǔ)備高。因此，當(dāng)設(shè)計(jì)荷載發(fā)生變化時(shí)，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)能力，即使局部破壞，柱殼結(jié)構(gòu)也不會(huì)立刻喪失承載能力。2）在最不利工況下，桿件 1144的最大軸力 ，而其抗力 ，桿件強(qiáng)度利用率為 ，雖未能達(dá)到滿應(yīng)力，但是，當(dāng)試圖采用小一級(jí)的桿件 894時(shí)，桿件強(qiáng)度明顯不足，因此采用桿件 1144是最優(yōu)的。其它類型桿件的確定都是以相對(duì)最優(yōu)的方法選用的。所選用的四種型號(hào)的桿件強(qiáng)度利用率分別為：78、82、90和74，均超過70，表明柱殼結(jié)構(gòu)的桿件強(qiáng)度利用程度是相當(dāng)高的。不似梁類構(gòu)

18、件雖然通過改變梁的截面形式（例如把梁截面由矩形改為工字形）、改變梁的截面高度（例如在梁的跨中和支座附近變高度、變梁寬）等做法改善本身的受力性能，但始終是量的改變而無(wú)法達(dá)成質(zhì)的飛躍，因此材料強(qiáng)度的利用程度很低。而柱殼結(jié)構(gòu)，屬于空間桿系結(jié)構(gòu)，它借助于上弦桿受壓，下弦桿受拉，二者形成力偶平衡外荷載產(chǎn)生的彎矩，借助于腹桿軸力和弦桿軸力的豎向分量平衡外荷載產(chǎn)生的剪力。因此，在柱殼結(jié)構(gòu)中，各桿件單元均為軸壓和軸拉受力構(gòu)件，全截面應(yīng)力分布均勻，使材料的強(qiáng)度可以得到充分的發(fā)揮。3）柱殼結(jié)構(gòu)的空間作用顯著。柱殼拱向的受力類似于兩鉸拱，但卻不同于兩鉸拱；縱向的受力類似于連續(xù)梁，但卻不同于連續(xù)梁。這在很大程度上是柱殼結(jié)構(gòu)的空間性能的發(fā)揮。橫向和縱向桿件通過變形協(xié)調(diào)共同工作，不僅具有較強(qiáng)