联方—凯威特型弦支穹顶静力特性参数分析

屈讼昭 王志骞

弦支穹顶是一种复合结构,影响其静力性能的因素比较多,下面即针对联方—凯威特型弦支穹顶分别从矢跨比、预应力、节点刚度3个因素进行参数分析。

1 计算模型

计算模型跨度为99 m,内圈凯威特部分径肋数量为6,外圈联方部分径肋数量为48,整个模型的环杆圈数为16。矢跨比为1/6,下部索从最外圈向内连续布置8圈,环撑杆的高度从里圈到外圈依次为:内四圈为4.5 m,最外两圈为7.0 m,其余的为5.5 m(见图1)。杆件为圆钢管,上部单层网壳部分采用截面299×8,下部支撑竖杆采用钢管截面为219×7,斜向拉杆采用钢拉杆A80,环索采用半平行钢丝束A7×73。钢管的弹性模量为E=2.06×1011N/m2,索的弹性模量为E=1.9×1011N/m2,上部单层网壳节点采用刚接,下部竖杆与网壳的连接节点和竖杆与索的连接节点都采用铰接。上部单层网壳杆件采用Beam4单元,下部支撑体系径向拉杆和竖向撑杆采用Link8单元,环索采用Link10单元模拟。支撑方式为周边固定铰支支撑,荷载为全跨面荷载2 kN/m2,预应力水平T=1 373 kN。

2 弦支穹顶结构参数分析

2.1 矢跨比对静力性能的影响

分别以矢跨比为1/5,1/6,1/7,1/8,1/9,1/10六种情况,将弦支穹顶结构与对应的单层网壳结构进行对比分析,从而确定矢跨比对结构静力性能的影响。在矢跨比变化的范围内,弦支穹顶的最大竖向位移始终低于单层网壳的最大竖向位移。但在矢跨比为0.1时两者之间的差值为0.01 m,在矢跨比为0.2时两者之间的差值为0.007 m。可见在矢跨比较小的情况下,弦支穹顶结构的优越性表现的比较明显(见图2)。

在矢跨比为0.1时,两者之间的差值为59.32 kN;当矢跨比为0.2时,两者之间的差值为13.90 kN。可见,当矢跨比较小时弦支穹顶的优越性更加显著(见图3)。

随着矢跨比的增加,弦支穹顶对杆件内力均匀化的效果越明显,弦支穹顶上部单层网壳结构杆件的最大内力与单层网壳杆件最大内力差值越大。因此对于从提高杆件受力均匀性这点来说,弦支穹顶改善矢跨比较大的单层网壳的作用更加明显。

2.2 预应力水平对静力性能的影响

随着预应力水平的提高,弦支穹顶结构上部单层网壳节点竖向位移逐渐减少,但是改变的范围很小,所以预应力水平对结构最大竖向位移的影响是可以忽略的。预应力的增加,对结构的整体刚度是没有影响的(见图4)。

整个过程中前期径向支座约束反力都处于推力状态,但是从T=6 000 kN到T=8 000 kN径向约束反力从推力变到了拉力,也就是在其之间有一点是可以将径向约束反力控制在很小值的。可见,预应力的施加,对于减小径向约束反力效果很明显。可以通过改变弦支穹顶下部支撑体系中索的预应力的大小,尽可能消除径向约束(见图5)。

弦支穹顶上部单层网壳杆件内力绝对值最大值都随着预应力水平的提高有减小的趋势。

2.3 上部杆件节点的选取方式对静力性能的影响

分别就杆件铰接连接和刚接连接两种不同模型下对静力性能研究,将原有模型上部单层网壳对应下边有支撑体系的刚接杆件换成铰接,并与全部为刚接的原模型计算出的结果进行比较。

竖向位移变化量最大的分别为:269号节点变化量为2.43%,458号节点变化量为-5.381%。可见两种不同的单元建造的模型对最终计算的位移值影响不大。

杆件内力变化量最大的分别为:169号杆件变化量为0.24%,937号杆件变化量为-0.33%。可见,两种不同的单元组建的计算模型对杆件内力的影响很小。

径向约束变化量最大的为0.024%。切向约束变化量最大为-1.92%。竖向约束变化量最大为-0.000 1%。可见两种不同单元组建的模型对支座反力的影响微乎其微。

3 结语

1)在变形和径向支座反力上弦支穹顶结构对于改善矢跨比较小的单层网壳的效果是比较明显的。但是在改变上部单层网壳杆件内力分布,使其受力更加均匀方面矢跨比越大改善的效果越明显。2)预应力水平对弦支穹顶上部单层网壳竖向变形影响不大,径向支座反力随着预应力水平的提高减小的比较明显。杆件内力随着预应力水平的提高变化不明显。3)对于下部有支撑体系的上部单层网壳的杆件节点,选用刚接或者选用铰接对计算的结果影响很小。

[1]张明山.弦支穹顶结构的理论研究[D].杭州:浙江大学博士论文,2004:30-43.

[2]郭佳民.弦支穹顶结构的理论分析与试验研究[D].杭州:浙江大学博士论文,2008:51-54.

[3]姚 姝,范 峰.K6型弦支穹顶结构的静力性能分析[J].建筑结构,2008,38(2):43-46.