雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的靜力分析與設(shè)計說明

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)計摘要：本文簡述了雙層網(wǎng)殼的靜力設(shè)計過程，并通過對桿件內(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)計概況：某展覽覽館主展展廳屋面面為弧線線形，跨跨度27m，結(jié)合合使用要要求，擬擬采用雙雙層網(wǎng)殼殼的屋蓋蓋結(jié)構(gòu)型型式。該結(jié)構(gòu)構(gòu)不僅具有有有較高高的承載載能力，且當(dāng)在在屋頂安安裝照明明、空調(diào)調(diào)等各種種設(shè)備及及管道時時，它還還能有效效地利用用空間，方方便吊頂頂構(gòu)造，經(jīng)經(jīng)濟合理理。一、

2、柱殼結(jié)結(jié)構(gòu)的型型式與分分析1 柱殼結(jié)結(jié)構(gòu)型式式本設(shè)計所用用柱殼采采用正放放四角錐錐體系，柱柱殼跨度度27m，矢高4.55m，縱向向長度42m。桿件件長度控控制在3m3.55m之間。2 柱殼結(jié)結(jié)構(gòu)分析析結(jié)構(gòu)分析的的核心問問題是計計算模型型的確定定。本設(shè)設(shè)計中柱柱殼結(jié)構(gòu)構(gòu)的計算算模型為為空間鉸鉸接桿系系，支承承采用四四邊支承承。每個個周邊節(jié)節(jié)點處均均設(shè)置支支座，下下圖所示示為在有有限元分分析軟件件SAPP20000中所建建立模型型的支座座模擬。（注：下圖圖僅作為為表達柱柱殼支座座形式所所用）圖1 柱殼殼上弦支支座圖圖1中，aa點為二二向支承承（約束束x，z方向位位移），d點為二二向支承承（約束束y

3、，z方向位位移），c點為三三向支承承（約束束x，y，z方向位位移），其其余帶號的各各點均設(shè)設(shè)置單向向支承（只只約束z方向的的位移）。柱殼結(jié)構(gòu)為為大型復(fù)復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)，因此此采用有有限元分分析軟件件SAPP20000對其進進行結(jié)構(gòu)構(gòu)分析，并并結(jié)合我我國鋼結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計計規(guī)范對對各桿件件進行截截面設(shè)計計和驗算算。二、靜力設(shè)設(shè)計荷載計算1）恒載標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值計計算屋面構(gòu)件及及網(wǎng)殼自自重恒載載： 0.75 燈具： 0.052）活載標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值計計算屋面活載：0.55；雪荷載載：；風(fēng)荷載： C類地貌貌，風(fēng)壓壓高度變變化系數(shù)數(shù)查表得得，風(fēng)振振系數(shù)，基本風(fēng)風(fēng)壓，風(fēng)載體體型系數(shù)數(shù)如圖2所示：風(fēng)向 圖2 風(fēng)振體體型系數(shù)數(shù)計算圖圖

4、因此，有：，其中，分別別為如圖圖2所示對應(yīng)應(yīng)不同體體型系數(shù)數(shù)下的風(fēng)風(fēng)荷載標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值。2、柱殼上上的荷載載分布eq oac(,1)上上弦恒載載全跨均均勻分布布（如圖圖3） 圖3 恒荷載載全跨均均勻分布布圖 下弦弦恒載全全跨均勻勻分布類類似上圖圖，值大大小為（僅僅為燈具具荷載）。eq oac(,2)屋屋面活荷荷載全跨跨均勻分分布（如如圖4） 圖4 屋面活活荷載全全跨均勻勻分布圖圖eq oac(,3)全全跨均布布雪荷載載（如圖5）圖5 雪荷荷載全跨跨均勻分分布圖eq oac(,4)半半跨均布布雪荷載載（如圖6）圖6 雪荷荷載半跨跨均勻分分布圖eq oac(,5)全全跨不均均勻分布布雪荷載載（如圖7）圖

5、7雪荷載載全跨不不均勻分分布圖eq oac(,6)風(fēng)風(fēng)荷載（如如圖8）：風(fēng)向圖8 風(fēng)荷荷載分布布圖圖8中， ，下同。 風(fēng)荷載載為吸力力，方向向為離開開屋面向向外。3、荷載組組合本設(shè)計中，荷荷載主要要作用在在上弦，下下弦僅作作用有燈燈具恒載載，因此此，為簡簡化計算算和利于于表達，現(xiàn)現(xiàn)將各組組合中的的下弦燈燈具荷載載計算如如下：各組合中，下下弦荷載載設(shè)計值值為：可變荷載控控制的組組合下：，均勻勻分布；永久荷載控控制的組組合下：，均勻勻分布。以上各值對對各組合合均相同同。上弦荷載組組合如下下：取大值風(fēng)荷載全跨均布雪荷載屋面活荷載恒荷載eq oac(取大值風(fēng)荷載全跨均布雪荷載屋面活荷載恒荷載組合1 e

6、q oac(,2)eq oac(,6)當(dāng)風(fēng)向為從從左向右右時（）：由可變荷載載控制的的組合，荷荷載分項項系數(shù)分分別取1.2和1.44荷載設(shè)計值值：1.22eq oac(,1)1.44eq oac(,2)1.440.6eq oac(,6)（矢量量相加）荷載分布圖圖如圖99所示： 圖9 組合1-1）的荷荷載分布布圖由永久荷載載控制的的組合，荷荷載分項項系數(shù)分分別取1.335和1.44荷載設(shè)計值值：1.335eq oac(,1)1.440.7eq oac(,2)1.440.6eq oac(,6)（矢量量相加）荷載分布圖圖如圖110： 圖10 組合1-2）的荷荷載分布布圖當(dāng)風(fēng)向變?yōu)闉閺挠蚁蛳蜃髸r，荷荷

7、載分布布與風(fēng)向向從左向向右時的的荷載分分布分別別對稱，二二者并無無本質(zhì)區(qū)區(qū)別，故故不再詳詳細敘述述。比較可變荷荷載控制制下的組組合1-1）與永永久荷載載控制下下的組合合1-2），可可以知道道組合1-1）的豎豎向分布布荷載相相當(dāng)于在在組合1-2）的豎豎向分布布荷載上上添加一一個向下下的均布布荷載，而而后者無無水平分分布荷載載，因此此，組合合1-1）比組組合1-2）更不不利。 恒荷載 eq oac(,1) 組組合2 半跨均均布雪荷荷載 eq oac(,4) 風(fēng)荷載 eq oac(,6)同組合1的的分析類類似：當(dāng)風(fēng)向為從從左向右右（）時：由可變荷載載控制的的組合更更不利荷載分布圖圖如圖111： 圖1

8、1 風(fēng)向從從左向右右時組合合2-1）的荷荷載分布布圖 恒荷載 eq oac(,1) 組組合3 全跨不不均布雪雪荷載 eq oac(,5) 風(fēng)荷載 eq oac(,6)同組合1的的分析類類似：當(dāng)風(fēng)向為從從左向右右（）時：由可變荷載載控制的的組合更更不利荷載分布圖圖如圖112所示示： 圖12 組合3-1）的荷荷載分布布圖最后，綜合合比較三三種組合合：組合合1、組合2、組合3下的最最不利組組合，可可以知道道組合1的情況況最不利利。最不不利荷載載分布為為組合1中的由由可變荷荷載控制制的組合合1-1），其其荷載分分布圖見見圖9。（注注：在用用SAPP20000分析時時，根據(jù)據(jù)最不利利荷載分分布設(shè)計計各桿

9、件件截面。）節(jié)點荷載計計算在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)構(gòu)中，各各桿件單單元均為為二力桿桿，只承承受節(jié)點點荷載，因因此，在在用SAPP20000分析，給給網(wǎng)殼施施加荷載載時，需需將各種種組合下下的分布布荷載轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為節(jié)節(jié)點荷載載。如圖13所所示： 圖13 節(jié)點荷荷載計算算示意圖圖5、桿件設(shè)設(shè)計桿件材料與與截面形形式本柱殼桿件件采用鋼鋼材，鋼鋼材的等等級為Q2335。桿件件的截面面形式為為圓鋼管管，所用用鋼管從從下列型型號中選選?。?003，7663.5，8994.0，111444.0，122744.5，144055.0，155266.0，155966.0，155988.0。為了了施工上上的方便便，要求求所選鋼鋼管在

10、34種之間間。桿件選取建立SAPP20000模型，并并施加最最不利組組合下的的節(jié)點荷荷載，初初選桿件件，設(shè)置置好各參參數(shù)，即即可運行行SAPP20000分析析該柱殼殼結(jié)構(gòu)。從分析結(jié)果果可以看看出：外外荷載主主要由跨跨度方向向的弦桿桿承受，縱縱向弦桿桿的內(nèi)力力較小。如如果把柱柱殼結(jié)構(gòu)構(gòu)的作用用看成為為跨度方方向拱的的作用與與長度方方向梁的的作用相相結(jié)合，那那么很明明顯地，結(jié)結(jié)構(gòu)以拱拱的受力力作用為為主，材材料利用用率較高高。而且且，柱殼殼中內(nèi)力力分布比比較均勻勻，傳力力路線短短，結(jié)構(gòu)構(gòu)受力較較為合理理。總體體上看，柱柱殼結(jié)構(gòu)構(gòu)呈現(xiàn)出出上弦桿桿受壓，下下弦桿受受拉的特特征。上上弦最大大壓桿和和下弦

11、最最大拉桿桿分別出出現(xiàn)在上上弦和下下弦的中中部，都都屬于跨跨度方向向的弦桿桿。腹桿桿受力較較為復(fù)雜雜，受拉拉與受壓壓桿件交交錯排列列，而且且周邊桿桿件內(nèi)力力較大，中中部桿件件內(nèi)力較較小。支支座反力力的分布布為：四四個角點點處支座座豎向反反力向下下，反力力值小；其余支支座處均均向上，反反力值大大；并且且，沿跨跨度方向向布置的的支座，跨跨中支座座處反力力值較大大；沿長長度方向向布置的的支座，長長跨跨中中支座處處反力值值較大。節(jié)節(jié)點撓度度，中間間大，周周邊小，中中央部分分節(jié)點撓撓度最大大。驗算最大拉拉壓桿，如如果不滿滿足截面面強度要要求，必必須重新新選取桿桿件，直直至所有有桿件的的強度條條件均符符合

12、要求求。同時時，還必必須保證證柱殼的的剛度，在在正常使使用狀態(tài)態(tài)下其最最大撓度度不得超超過短跨跨長度的的1/4400。另外外，由于于空間網(wǎng)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)構(gòu)的構(gòu)件件“沒有主主次”，存在在強度過過剩問題題，因此此，為充充分利用用各桿件件，應(yīng)盡盡可能使使用小截截面鋼管管。同時時，這也也將使得得整個結(jié)結(jié)構(gòu)總用用鋼量減減少，造造價降低低。所選取的桿桿件統(tǒng)計計如下：所用鋼管截截面分類類總數(shù)目目所在位位置、數(shù)數(shù)目及鋼鋼管下料料編號1144 25根上弦弦橫桿，編編號1上弦橫桿774根，編編號28944 82根 下弦橫桿88根，編編號3上弦縱桿772根，編編號47633.5 96根下弦橫桿224根，編編號5上弦橫桿3

13、36根，編編號6；縱桿68根，編編號86033 8805根腹桿504根，編編號7下弦橫桿880根，編編號9；縱桿117根，編編號85） 截面面驗算組合1-11）（最最不利組組合）的的截面驗驗算，僅僅選擇111444舉例說說明如下下：1144：，3號無縫縫鋼管，a類截面面，查表表得：， （最大大壓桿，SAPP20000中桿件件號68），滿足（注：此桿桿不可用用8994，因為為）綜上可知，所所選的截截面不僅僅滿足強強度要求求，而且且應(yīng)用了了盡可能能小的截截面，相相對較優(yōu)優(yōu)。此組組合作用用下，結(jié)構(gòu)最大大撓度發(fā)發(fā)生在231號節(jié)點點，最大大值60.4mmm2770000/4000=667.55mm.，因

14、此此，無需需再進行行正常使使用狀態(tài)態(tài)下的撓撓度驗算算。節(jié)點設(shè)計焊接空心球球節(jié)點構(gòu)構(gòu)造和制制造均較較簡單，球球體外型型美觀、具具有萬向向性，可可以連接接任意方方向桿件，因此此為本設(shè)設(shè)計所采采用，并并限定整整個柱殼殼采用一一種規(guī)格格的空心心球。（1）球體體尺寸設(shè)設(shè)計網(wǎng)架結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計與與施工規(guī)規(guī)程規(guī)規(guī)定，空空心球的的直徑應(yīng)應(yīng)使連接接在同一一球節(jié)點點上各桿桿件之間間留出不不小于110mmm的間隙隙，根據(jù)據(jù)此條件件可初定定球的直直徑為圖14 腹桿與弦桿夾角上弦最大截截面弦桿桿與腹桿桿相交時時所需球球徑最大大。此時時，夾角角弧度。圖14 腹桿與弦桿夾角取，壁厚，在3045之間間。經(jīng)上述計算算，確定定空心球球

15、尺寸為為，支座座節(jié)點加加肋，內(nèi)內(nèi)部節(jié)點點無肋。（2）節(jié)點點強度驗驗算上弦以受壓壓為主，最最大壓力力，所用用桿件為為11144。受壓空心球球容許承承載力為為：下弦以受拉拉為主，最最大拉力力，所用用桿件為為8994。受拉空心球球容許承承載力為為：節(jié)點符合強強度要求求。材料表桿件材料表表，見表表1：表1桿件材材料表編號桿件規(guī)格幾何長度（mm）下料長度（mm）單 重（kg）根 數(shù)合計重（kg）1 114443215301532.711325817.88252 8943215301525.2666741869.68443 8942882268222.47758179.884 763.5530002800

16、17.5228721262.01665 763.552882268216.788924402.99366 6033215301512.722336458.00287 6033162296212.500050463008 6033000280011.81161852185.969 6032882268211.311880905.444總 計1008143811.6889（2）焊接接空心球球材料表表，見表表2表2 焊接接空心球球材料表表直 徑（mmm）厚 度（mmm）單個球重（kg）焊接球個數(shù)數(shù)合計重（kkg）20065.642761556.64溫度變化引引起的支支座側(cè)移移計算根據(jù)網(wǎng)架架結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計

17、與施施工規(guī)程程，在在單位力力作用下下，溫度度變化引引起的支支座處位位移由下下式計算算：設(shè)定工程竣竣工時，溫溫度為，當(dāng)當(dāng)?shù)叵募炯咀罡邷販囟葹椋咀畹偷蜏囟葹闉?。總?cè)移而在最不利利荷載組組合下的的支座最最大側(cè)移移為。因為，因此此支座設(shè)設(shè)計時將將按照荷荷載作用用下的側(cè)側(cè)移進行行設(shè)計。9、支座節(jié)節(jié)點設(shè)計計本設(shè)計出于于減少水水平推力力的需要要，要求求支座本本身是一一個具有有確定數(shù)數(shù)值抗側(cè)側(cè)剛度的的彈性支支座。比比較各種種支座形形式（如如平板支支座、弧弧形支座座、球鉸鉸支座和和橡膠支支座）后后，決定定選用板板式橡膠膠支座。該該支座是是在平板板壓力支支座的支支承底板板與支承承面頂板板間設(shè)置置一塊由由多層

18、橡橡膠片與與薄鋼板板粘合、壓壓制成的的矩形橡橡膠墊板板，并以以錨栓相相連使成成一體。這這種橡膠膠墊板由由具有良良好彈性性的橡膠膠片以及及具有一一定強度度的薄鋼鋼板組合合而成，不不僅可使使柱殼支支座節(jié)點點在不出出現(xiàn)大豎豎向壓縮縮變形的的情況下下獲得足足夠的承承載能力力，而且且橡膠墊墊板良好好的彈性性也可產(chǎn)產(chǎn)生較大大的剪切切變位，因因而既可可以適應(yīng)應(yīng)柱殼支支座節(jié)點點的轉(zhuǎn)動動要求，又又能適應(yīng)應(yīng)柱殼支支座節(jié)點點由于溫溫度變化化、地震震作用所所產(chǎn)生的的水平變變位。目目前國內(nèi)內(nèi)常用的的橡膠墊墊板采用用的膠料料主要有有氯丁橡橡膠、天天然橡膠膠等。氯氯丁橡膠膠是一種種人工合合成材料料，它不不但具有有天然橡橡膠

19、的基基本特性性，而且且具有較較強的抗抗腐蝕與與抗老化化的能力力，使用用壽命長長，因此此本設(shè)計計橡膠墊墊板中的的膠料采采用氯丁丁橡膠，橡橡膠墊板板的膠片片硬度為為邵氏硬硬度60。在本本設(shè)計中中，受拉拉支座只只有4個，均均分布在在角部，且且拉力較較小，因因此為簡簡便起見見，采用用與壓力力節(jié)點相相同的構(gòu)構(gòu)造，并并在最后后驗算錨錨栓的承承拉性能能。三、靜力設(shè)設(shè)計結(jié)果果分析在SAP220000中按照照此前靜靜力設(shè)計計的結(jié)果果選取各各桿件的的型號并并將荷載載組合1-1）（最最不利組組合）、荷荷載組合合2-1）以及及荷載組組合3-1）施加加于結(jié)構(gòu)構(gòu)上，運運行SAAP20000分分析得到到各種組組合下的的桿件

20、軸軸力、支支座反力力和節(jié)點點位移。分析結(jié)果，得：1）從三種種不利工工況（組組合1-1）、組組合2-1）和組組合3-1）下下桿件軸軸力圖的的比較發(fā)發(fā)現(xiàn)：在在荷載全全跨均勻勻分布下下，柱殼殼結(jié)構(gòu)的的內(nèi)力最最大；荷荷載全跨跨不均勻勻分布時時，柱殼殼結(jié)構(gòu)的的內(nèi)力較較大；在在荷載半半跨均勻勻分布時時，柱殼殼結(jié)構(gòu)的的內(nèi)力最最小。表表明：柱柱殼結(jié)構(gòu)構(gòu)整體穩(wěn)穩(wěn)定性較較好，抵抵抗不均均勻分布布荷載能能力強。主主要因為為柱殼結(jié)結(jié)構(gòu)具有有較高的的超靜定定次數(shù)，剛剛度大，安安全儲備備高。因因此，當(dāng)當(dāng)設(shè)計荷荷載發(fā)生生變化時時，結(jié)構(gòu)構(gòu)表現(xiàn)出出較強的的適應(yīng)能能力，即即使局部部破壞，柱柱殼結(jié)構(gòu)構(gòu)也不會會立刻喪喪失承載載能力。

21、2）在最不不利工況況下，桿桿件 11144的最大大軸力 ，而其其抗力 ，桿件件強度利利用率為為，雖未未能達到到滿應(yīng)力力，但是是，當(dāng)試試圖采用用小一級級的桿件件 88944時，桿桿件強度度明顯不不足，因因此采用用桿件 11144是最優(yōu)優(yōu)的。其其它類型型桿件的的確定都都是以相相對最優(yōu)優(yōu)的方法法選用的的。所選選用的四四種型號號的桿件件強度利利用率分分別為：78、82、90和74，均均超過70，表表明柱殼殼結(jié)構(gòu)的的桿件強強度利用用程度是是相當(dāng)高高的。不不似梁類類構(gòu)件雖雖然通過過改變梁梁的截面面形式（例例如把梁梁截面由由矩形改改為工字字形）、改改變梁的的截面高高度（例例如在梁梁的跨中中和支座座附近變變高

22、度、變變梁寬）等等做法改改善本身身的受力力性能，但但始終是是量的改改變而無無法達成成質(zhì)的飛飛躍，因因此材料料強度的的利用程程度很低低。而柱柱殼結(jié)構(gòu)構(gòu)，屬于于空間桿桿系結(jié)構(gòu)構(gòu)，它借借助于上上弦桿受受壓，下下弦桿受受拉，二二者形成成力偶平平衡外荷荷載產(chǎn)生生的彎矩矩，借助助于腹桿桿軸力和和弦桿軸軸力的豎豎向分量量平衡外外荷載產(chǎn)產(chǎn)生的剪剪力。因因此，在在柱殼結(jié)結(jié)構(gòu)中，各各桿件單單元均為為軸壓和和軸拉受受力構(gòu)件件，全截截面應(yīng)力力分布均均勻，使使材料的的強度可可以得到到充分的的發(fā)揮。3）柱殼結(jié)結(jié)構(gòu)的空空間作用用顯著。柱柱殼拱向向的受力力類似于于兩鉸拱拱，但卻卻不同于于兩鉸拱拱；縱向向的受力力類似于于連續(xù)梁梁，但卻卻不同于于連續(xù)梁梁。這在在很大程程度上是是柱殼結(jié)結(jié)構(gòu)的空空間性能能的發(fā)揮揮。橫向向和縱向向桿件通通過變形形協(xié)調(diào)共共同工作作，不僅僅具有較較強的承承載能力力，而