斜拉結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的應(yīng)用

斜拉結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的應(yīng)用

0不同類(lèi)型結(jié)構(gòu)的建筑造型隨著現(xiàn)有單一結(jié)構(gòu)形式的需求，斜率結(jié)構(gòu)是一種廣泛使用的結(jié)構(gòu)形式，采用了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、新建筑造型和不同類(lèi)型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化組合。而現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外對(duì)斜拉結(jié)構(gòu)的研究多集中于斜拉桁架、斜拉網(wǎng)架結(jié)構(gòu),對(duì)斜拉網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的研究較少,因此,對(duì)斜拉網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的分析研究具有一定的工程指導(dǎo)意義。1網(wǎng)殼上弦節(jié)點(diǎn)根據(jù)青島某嘉年華項(xiàng)目門(mén)廳屋蓋采用的正交正放雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),筆者所選結(jié)構(gòu)模型尺寸分別取為:網(wǎng)殼跨度為100m,長(zhǎng)度為100m,網(wǎng)格大小為4×4(m),網(wǎng)殼厚度2m,結(jié)構(gòu)桿件均采用圓鋼管,上下弦桿件截面Φ219×8,腹桿Φ102×4;每隔20m處設(shè)置塔柱,塔柱所在拱殼部分局部加強(qiáng),上弦桿件截面Φ299×6,下弦Φ219×8,腹桿Φ102×4;塔柱選用圓鋼管截面為Φ1500×80。主體網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)兩縱邊邊界上弦節(jié)點(diǎn)放置在塔柱上?？v邊邊界上各有6根塔柱,共12根,塔柱上段柱高30m,柱底為固定端支座。每根塔柱柱頂設(shè)置前索和背索,前索與網(wǎng)殼上弦節(jié)點(diǎn)相交,背索下端錨固于地面,為鉸接約束。靜力計(jì)算時(shí)的荷載作用在網(wǎng)殼上弦節(jié)點(diǎn),僅考慮荷載1kN/m2作用下,根據(jù)JGJ7-2010《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)程》)中第4.1.5條規(guī)定,外荷載按靜力等效原則將節(jié)點(diǎn)所轄區(qū)域內(nèi)的荷載集中作用在節(jié)點(diǎn)上。因此外荷載等效為點(diǎn)荷載16kN,施加于網(wǎng)殼上弦節(jié)點(diǎn),并考慮屋面板的施工荷載、雪荷載或風(fēng)荷載作用時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)荷載,另外在風(fēng)荷載作用下還能產(chǎn)生沿拱跨方向的水平荷載,分別簡(jiǎn)化為豎向滿(mǎn)跨、豎向半跨、水平荷載三種荷載工況來(lái)考慮。基于以上尺寸,建立的模型如圖1所示。具體材料屬性見(jiàn)表1。2網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)靜力性能對(duì)比由于斜拉網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)采用兩縱邊支承的邊界條件,及塔柱,拉索設(shè)置位置的特性,可以首先單獨(dú)取出網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中一榀拱結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)比分析,可以通過(guò)一榀拱結(jié)構(gòu)來(lái)初步了解整體結(jié)構(gòu)的性能。本文利用SAP2000軟件對(duì)斜拉雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及相同桿件截面、邊界條件的普通雙層柱面網(wǎng)殼進(jìn)行靜力性能的對(duì)比分析。(注:內(nèi)力負(fù)值表示網(wǎng)殼桿件受壓,正值表示受拉。位移正值表示與坐標(biāo)軸方向相同,反之相反。)斜拉網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)拉索布置見(jiàn)圖2。軸力變化如圖3~5。2.1斜拉索布置的特點(diǎn)由圖3斜拉網(wǎng)殼和普通網(wǎng)殼在豎向荷載作用下軸力對(duì)比可以看出:1)網(wǎng)殼上下弦桿均受壓。上弦桿的內(nèi)力分布呈現(xiàn)中間小、兩邊支座處大的特點(diǎn)。而下弦桿內(nèi)力呈現(xiàn)1/4和3/4跨處大、其余位置小的特點(diǎn),呈現(xiàn)W形分布。這是由網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)邊界條件和自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所決定的。2)加斜拉索后網(wǎng)殼內(nèi)力分布形態(tài)基本與普通網(wǎng)殼保持一致;網(wǎng)殼設(shè)置斜拉索后,桿件所受壓力減小,斜拉索作用明顯,與相應(yīng)普通網(wǎng)殼內(nèi)力比對(duì)斜拉網(wǎng)殼上弦桿斜拉索布置處形成明顯凹點(diǎn)。3)靠近塔柱處上弦桿內(nèi)力減小幅度稍大于周?chē)鷹U件,這是由于一榀拱結(jié)構(gòu)支座處剛度大于跨中的緣故。4)觀(guān)察下弦桿,可以看到拉索布置附近,出現(xiàn)應(yīng)力集中、內(nèi)力突增的現(xiàn)象,在設(shè)計(jì)中要特別注意。由圖4~5斜拉網(wǎng)殼和普通網(wǎng)殼在不對(duì)稱(chēng)荷載作用下軸力對(duì)比可以看出,斜拉索布置處內(nèi)力減小幅度高于周邊桿件,斜拉索起到了良好的減小內(nèi)力的作用。通過(guò)圖3~5對(duì)比三種荷載工況下的斜拉網(wǎng)殼和普通網(wǎng)殼桿件軸力變化,可以得知不對(duì)稱(chēng)荷載工況下,斜拉索的布置對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力降低作用優(yōu)于對(duì)稱(chēng)荷載作用。不對(duì)稱(chēng)荷載未對(duì)斜拉網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)造成不利影響。2.2網(wǎng)殼豎向位移及水平位移變化形態(tài)由于雙層網(wǎng)殼上下弦節(jié)點(diǎn)位移基本保持一致,下面單獨(dú)分析網(wǎng)殼設(shè)置塔柱處一榀拱結(jié)構(gòu)上弦節(jié)點(diǎn)的位移特性,位移變化如圖6~8。由圖6~8可以看出:1)斜拉雙層柱面網(wǎng)殼拱結(jié)構(gòu)的豎向位移及水平位移變化形態(tài)與無(wú)斜拉索時(shí)的網(wǎng)殼變化規(guī)律一致。2)網(wǎng)殼在布置斜拉索后,比較網(wǎng)殼豎向位移和水平位移,可以看出,在布置斜拉索處節(jié)點(diǎn)位移減小量大于周邊桿件,明顯形成凹點(diǎn)。3)比較網(wǎng)殼在布置斜拉索后,在豎向滿(mǎn)跨荷載、豎向半跨荷載、水平荷載作用下豎向位移峰值減小量分別為14.91%、41.4%、36.3%。同樣比較拉索布置處水平位移減小量分別為25.53%、43.5%、32.4%?？梢钥闯龃朔N形式的斜拉雙層柱面網(wǎng)殼對(duì)非對(duì)稱(chēng)荷載并不敏感,在非對(duì)稱(chēng)荷載作用下斜拉索起到的減小結(jié)構(gòu)位移作用反而優(yōu)于對(duì)稱(chēng)荷載作用時(shí)。3結(jié)構(gòu)的荷載位移曲線(xiàn)結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性包括材料的非線(xiàn)性和幾何非線(xiàn)性,但對(duì)于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),通常認(rèn)為幾何非線(xiàn)性是主要因素?！兑?guī)程》第4.3.2條規(guī)定,網(wǎng)殼的穩(wěn)定性可按考慮幾何非線(xiàn)性的有限元法(即荷載-位移全過(guò)程分析)進(jìn)行計(jì)算,分析中可假定材料為彈性。本文僅考慮斜拉網(wǎng)殼的幾何非線(xiàn)性因素,對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在荷載位移空間中的整個(gè)平衡圖形進(jìn)行研究。通過(guò)斜拉網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線(xiàn)全過(guò)程分析,可以了解斜拉網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的幾何非線(xiàn)性穩(wěn)定性能。圖9描述了三種荷載工況下(豎向滿(mǎn)跨,豎向半跨,及水平荷載),斜拉網(wǎng)殼和相應(yīng)普通網(wǎng)殼的荷載-位移曲線(xiàn)。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的每一節(jié)點(diǎn)都有其相應(yīng)的荷載位移曲線(xiàn),以下分析取結(jié)構(gòu)的最大位移點(diǎn)處的曲線(xiàn),以了解結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性,并對(duì)比分析斜拉網(wǎng)殼和普通網(wǎng)殼在臨界荷載和屈曲性能方面的異同關(guān)系。由圖9(a)可以看出,在豎向滿(mǎn)跨荷載作用下,斜拉網(wǎng)殼的臨界荷載明顯高于普通網(wǎng)殼。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)剛受力時(shí),荷載-位移曲線(xiàn)呈現(xiàn)線(xiàn)性性質(zhì),當(dāng)荷載繼續(xù)加載,荷載-位移曲線(xiàn)的曲率逐漸變大,網(wǎng)殼呈現(xiàn)非線(xiàn)性性質(zhì),此時(shí)荷載繼續(xù)加載,荷載-位移曲線(xiàn)出現(xiàn)拐點(diǎn),這個(gè)拐點(diǎn)即為臨界點(diǎn),相應(yīng)的荷載為臨界荷載;從穩(wěn)定方面來(lái)考慮,斜拉網(wǎng)殼的臨界荷載明顯高于相應(yīng)的普通網(wǎng)殼。斜拉網(wǎng)殼臨界荷載分別為113.80kN,而相應(yīng)的普通網(wǎng)殼的臨界荷載分別是85.36kN,斜拉網(wǎng)殼的臨界荷載比相應(yīng)普通網(wǎng)殼提高幅度為33.3%;從剛度角度來(lái)分析,由于結(jié)構(gòu)臨界荷載點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大位移往往很大,一般超過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的允許限度(根據(jù)《規(guī)程》規(guī)定,雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),對(duì)于屋蓋結(jié)構(gòu),容許撓度值取網(wǎng)殼短向跨度的1/250),因而沒(méi)有實(shí)際意義,所以可以從對(duì)比設(shè)計(jì)荷載點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的最大節(jié)點(diǎn)位移值,從荷載位移曲線(xiàn)中可以得到普通網(wǎng)殼在荷載為16kN(設(shè)計(jì)荷載)時(shí),對(duì)應(yīng)的最大節(jié)點(diǎn)位移為0.194m,是網(wǎng)殼跨度的1/515,而斜拉網(wǎng)殼對(duì)應(yīng)的最大節(jié)點(diǎn)位移為0.04m,是網(wǎng)殼跨度的1/2500,斜拉網(wǎng)殼的剛度明顯大于普通網(wǎng)殼。由圖9(b)(c)可以看出,從穩(wěn)定性方面來(lái)說(shuō),豎向半跨、水平荷載作用下普通網(wǎng)殼的臨界荷載分別為99.84kN、170.10kN,而對(duì)應(yīng)的斜拉網(wǎng)殼的臨界荷載分別為129.23kN、222.36kN。明顯看出,加斜拉索后,網(wǎng)殼的穩(wěn)定性能大幅提高提高幅度為29.4%、30.7%。其次,從剛度方面來(lái)說(shuō),斜拉網(wǎng)殼的剛度明顯大于普通網(wǎng)殼。4斜拉網(wǎng)殼穩(wěn)定性的改善綜上所述,通過(guò)正交正放雙層柱面網(wǎng)殼模型的對(duì)比分析,我們可以得到以下結(jié)論:1)通過(guò)對(duì)比斜拉雙層柱面網(wǎng)殼和相應(yīng)雙層柱面網(wǎng)殼的靜力特性,可以得知斜拉索的存在使斜拉網(wǎng)殼基本與普通網(wǎng)殼的靜力特性保持一致,但明顯改善了普通網(wǎng)殼的靜力特性。斜拉索的存在起到了彈性支點(diǎn)的作用,分割了網(wǎng)殼的跨度,減小了網(wǎng)殼桿件的內(nèi)力,約束