新型预应力单层柱面网壳的静力特性和参数分析

徐英雷

(中铁工程设计咨询集团有限公司建筑工程设计研究院，北京 100055)

0 引言

新型预应力单层柱面网壳结构是一种在单层柱面网壳上增加一定的撑杆和预应力索体系后形成的新型大跨度空间钢结构［1］。单斜杆型单层圆柱面网壳当跨度较大时受力性能受到自身刚度和承载力限制，此时主要的承重构件为其横向主拱杆件，位移是结构最主要的控制指标。当在此单层柱面网壳上的适当位置增加撑杆和预应力索体系形成新型结构之后，单层柱面网壳依靠预应力索—撑杆体系的空间整体协调作用，在承受全跨均布竖向节点荷载时，受力性能显著增强，相比原结构刚度和承载力都有较大的提高。在承受半跨均布竖向节点荷载下，该新型结构的受力性能较原结构也有一定的改善，但刚度和承载力的提高程度不如仅承受全跨均布荷载时显著，结构杆件仍有较大的强度潜力。本文针对该新型结构的受力特点，在保证撑杆和预应力索体系及结构整体稳定性［2］的前提下，分析了特定参数下新型预应力单层柱面网壳结构在不同竖向荷载工况作用下矢跨比、撑杆高度等结构参数的变化对结构静力状态受力性能的影响，较深入地研究其最大位移和最大应力的变化规律。

1 有限元模型的建立

按照文献［1］中的结构参数利用有限元软件ANSYS建立完全相同的新型预应力单层柱面网壳结构模型见图1(图中隐去网壳斜杆)。拉索、撑杆、横向主拱之间均假定为铰接。结构沿单层柱面网壳两纵边三向固定铰支。计算中考虑几何大变形非线性和应力刚化的影响。

图1 新型预应力单层柱面网壳结构

2 静力特性与参数分析

在结构不同矢跨比时的网壳节点上，在仅结构两侧索系的撑杆长度从2.1 m变化到5.1 m时的网壳节点上，在结构中部和两侧撑杆高度同时变化的网壳节点上，分别施加递增的全跨和半跨竖向均布节点荷载，最大正负位移和最大应力指标的变化趋势如图2～图6所示。

图2 全跨递增均布荷载下，结构最大位移与最大应力曲线（一）

图3 半跨递增均布荷载下，结构最大位移与最大应力曲线（一）

2.1 矢跨比对结构静力特性的影响

分析可知在全跨均布荷载下矢跨比对结构静力性能的影响极大，结构的最大正位移和最大应力是主控指标，随着结构矢跨比的递增，结构的承载能力急剧减小。在半跨均布荷载下，总体上看结构在矢跨比不同时对半跨均布节点荷载的抵抗能力比较接近，但矢跨比在0.3左右为最优，受力性能较好，起控制作用的位移指标相对最小。需要注意的是，在完全相同的荷载值作用下，矢跨比为0.5时的结构比不同矢跨比时更早表现出结构的非线性特征。由此可知，矢跨比较大对结构的各项受力性能均不利。

2.2 仅两侧撑杆高度改变对结构静力特性的影响

图4 全跨递增均布荷载下，结构最大位移与最大应力曲线（二）

图5 半跨递增均布荷载下，结构最大位移与最大应力曲线（二）

图6 全跨递增均布荷载下，结构最大位移与最大应力曲线（三）

保持结构中部撑杆长度不变时仅改变两侧撑杆的长度，相当于改变侧杆与中杆长度的比值。在全跨均布荷载下，随着侧杆长度递增，结构的最大位移和最大应力指标在荷载值较小时改善不多，在荷载值较大时却呈现较大幅度提高。但当侧杆的长度增加到一定值时，即当侧杆长度达到中杆最大长度的1.2倍及以上时，单纯增加侧杆高度对结构各项指标的改善作用就不再那么显著。在半跨均布荷载下，结构受力状态较为不利些，最大正位移在结构的正负位移指标中起主控作用，通过增加侧杆长度对结构受力性能的改善作用有限并不明显，尤其对最大应力指标影响不大。

2.3 同时改变中部撑杆和两侧撑杆长度对结构静力特性的影响

如图6所示有三种结构不同的撑杆工况(中杆图中只注明最大长度)，各工况设置参数为:中杆由两侧向中部分别为1.8 m，3 m，3.6 m，3.9 m，侧杆为 2.7 m;中杆为 1.8 m，3 m，3.6 m，3.9 m，侧杆为3.9 m;中杆为2.1 m，3.6 m，4.8 m，5.4 m，侧杆为3.9 m，在全跨或半跨均布荷载下，在侧杆长度不变时再增加中杆的长度对结构受力性能的改善很少。在全跨荷载下，结构的最大正位移在荷载值较大时有一定改善，只增加中杆长度有利于控制结构竖直向下的正向位移，但对结构最大应力的降低作用不及只增加侧杆长度时那么明显。同理计算分析可知，单纯增加中杆长度不能起到抵抗半跨荷载的作用，在半跨荷载下，随着撑杆长度的增加，最大应力呈增加趋势但增幅很小。

3 结语

1)新型拉索—单层柱面网壳结构的矢跨比不宜定的过大，取0.3较为合理。2)当结构以位移为主要控制指标时，在半跨均布竖向节点荷载下，增加中部撑杆的长度并不能提高结构抵抗半跨荷载作用的能力，但两侧撑杆高度的增加使结构的正负位移指标皆有一定程度的减小，故可通过增加两侧撑杆高度改善结构在半跨荷载作用下的静力特性。3)当结构以位移为主控指标时，在全跨均布竖向节点荷载下，在一定范围内无论随着两侧撑杆长度还是中部撑杆长度的增加，正位移指标都呈降低趋势，但荷载较小时负位移指标略微增加，此时竖直向上的节点位移为主控指标;荷载较大时，负位移方呈减小趋势，此时竖直向下的节点正位移为主控指标。4)两侧撑杆长度的增加使得结构在全跨均布荷载下最大应力指标始终呈降低趋势，但在半跨均布荷载下却呈增加趋势。中部撑杆长度的增加对结构杆件应力状态的影响不大。

［1］王秀丽，徐英雷，张宪江.新型拉索—单层柱面网壳结构性能初探［A］.刘锡良.第七届全国现代结构工程学术研讨会论文集［C］.北京:工业建筑出版社，2007:367-373.

［2］徐英雷，王秀丽.新型拉索—单层柱面网壳结构的稳定性和参数分析［J］.四川建筑科学研究，2010，36(2):88-91.

［3］尹德钰，刘善维，钱若军.网壳结构设计［M］.北京:中国建筑工业出版社，1996.

［4］赵建伟.某单层球面网壳结构设计［J］.山西建筑，2012，38(21):48-50.

［5］JGJ 61-2003，网壳结构技术规程［S］.

［6］GB 50017-2003，钢结构设计规范［S］.