旋转双曲面网壳结构连续倒塌分析研究

刘会乐 舒伟伟

（广东省建筑设计研究院 广东 广州 510010）

旋转双曲面网壳结构连续倒塌分析研究

刘会乐 舒伟伟

（广东省建筑设计研究院 广东 广州 510010）

对旋转双曲面网壳结构进行了进行了抗连续倒塌分析，通过计算敏感度能够找到网壳结构的重要构件。对结构重要部位分别拆除一根或者多根杆件，重新进行剩余结构的极限承载力计算，讨论当杆件拆除后对旋转双曲面型网壳结构所受到的影响。

旋转双曲面网壳结构；倒塌分析；敏感度

1 引言

网壳结构在受力的过程中，当荷载达到一定极值时，结构的部分杆件就会失效。这时，需要拆除一根或者多根已经失效的杆件重新进行剩余结构的极限承载力计算，讨论当杆件拆除后旋转双曲面型网壳结构连续倒塌所受到的影响。为了更好的确定单根杆件对整个结构的影响程度，Frangopol和Curley[1]提出了冗余度和灵敏度的概念。冗余度用R表示，计算公式为

Pandy和Barai[2]提出了结构内力或应变、结构变形或自振频率等响应分析的观点，并将初始局部破坏引起的结构响应变化称为敏感度（也称灵敏度），敏感度是与结构的冗余度成反比关系，表示的是撤除杆件后结构的灵敏度值。用公式表示为：

2 模型设计

中国移动南方基地中心立面为旋转双曲面，上大下小，呈蘑菇状。该中心地下 1 层，地上5 层，该结构外边是一个旋转双曲面型的网壳结构，内部为混凝土结构，内部和外部通过支座连接在一起。结构的底部直径为48.000m，最顶端直径为82.640m，总高度为22.600m。立面图为图1。

本工程结构所采用的钢材型号是Q235钢，菱形框的截面高度为300mm，高度为100mm。采用ANSYS命令流的形式进行建模，施加自重和风荷载进行非线性屈曲分析，通过ANSYS进行建模分析。

3 计算分析

灵敏度分析，判别单根杆件对结构的影响程度，以及不同杆件影响程度的差别。结构从下到上依次选取了12根杆件进行分析，杆件号分别为：L138、L457、L776、L1095、L1414、L1733、L2052、L2371、L2451、L2690、L3009、L3328。根据冗余度和灵敏度的计算公式，依次杀死上述单元进行计算，所得到的杆件的灵敏度如下：0.001、0.002、0.003、0.005、0.006、0.009、0.010、0.013、0.014、0.012、0.010和0.008。通过对比发现杆件的灵敏度从下到上依次先增大后减小，在中上部位置取得最大值。并且在靠近支座的位置附近杆件的灵敏度值相对较小。最大灵敏度杆件为2451，灵敏度值达到0.014。使结构的极限承载力降低了接近1.4%左右。灵敏度最低的为138号杆件，拆除138号杆件后，对结构的极限承载力影响不大，可以忽略。也说明了单根杆件对结构的极限承载力影响不大，单个杆件的破坏，结构会进行重新内力的分配，达到新的平衡，不会影响结构整体的抗倒塌性能。

图1 立面图

图2 删除单元时的风速-位移曲线对比图

上文通过非线性静力分析，分析了拆除某根杆件后结构的承载力，体现出单根杆件的灵敏度。现在，将对所要拆除的杆件由一根逐渐增加到4根，分别分析拆除多根杆件后对结构的极限承载力的影响。依次拆除的杆件号分别为：L2604、L2683、L2764和L2863。

由图2可知，在拆除高灵敏度杆件的过程中，结构的极限承载力依次减小，完整结构时结构的承载的最高风速可以达到61.001m/s，当删除四根敏感度高的杆件时，结构承载的最高风速为53.1219m/s，风速承载下降了将近13%，所以当结构多根杆件破坏时，结构的极限承载力影响还是比较大的，从而导致结构发生连续性倒塌现象。因此加强对敏感度高的杆件的有效保护可以增强结构的极限承载力，有效降低结构发生连续性倒塌的概率。在对于敏感度高的杆件，为了降低发生连续性倒塌的概率，通常可以增加杆件截面的尺寸。

结论

本文采用ANSYS模型对结构重要杆件的敏感度分析，并且对重要杆件的逐渐递增删除，计算结构的极限承载力，通过对比分析得到如下结果：

（1）分析了结构中部分杆件的敏感度，发现中上部杆件敏感度最大，并且删除单根杆件对整个结构极限承载风速影响不大。

（2）随着删除杆件的增多，杆件极限承载风速逐渐变小，承载力降低。可以通过增大杆件截面来抗连续倒塌。

[1]Frangopol D M,Curley J P,Effects Of Damage And Redundancy On Structural Reliability .Journal Of Structural Engineering,1987 Berkeley,2009:183-202.

[2]Pandey P,C,Barai S V, Structural sensitivity as a measure of redundancy..Journal Of Structural Engineering,1997,123(3):360-364.

TU391

B

1007-6344（2016）07-0081-01