索桿球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設計與分析
2013-06-16 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
筆者設計了一種新型的結(jié)構(gòu)單元(見圖1)。基本單元為一幾何多面體,多面體的每一條邊都被設計為拉索,從多面體的內(nèi)部形心點到各角點設計為壓桿。并在壓桿中引入預壓應力,將多面體撐起,形成具有空間剛度的自平衡預應力結(jié)構(gòu)單元。應用這種結(jié)構(gòu)單元形成超大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),對其進行設計和靜力分析,對300 m超大跨度球面網(wǎng)殼的設計分析表明,“單元拼裝式自平衡”體系在超大跨度空間結(jié)構(gòu)設計中是可行的,設計應綜合考慮網(wǎng)殼厚度、預應力值、索桿截面變化引起的索桿應力變化。
1 結(jié)構(gòu)形體和體系的選擇
根據(jù)已有的大跨預應力網(wǎng)殼研究結(jié)論和目平衡結(jié)構(gòu)單元的特點,應用圖1(c)基本單元,設計出跨度為300 m的K6扇形3向網(wǎng)格球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu):上層網(wǎng)格尺寸6.041~8.776 m,下層網(wǎng)格尺寸5.958-8.655 m,厚3m,矢高60 m。稱為自平衡預應力索桿球面網(wǎng)殼。
2 桿件與節(jié)點設計
2.1桿件的截面形式及材料
壓桿主要采用Q235或Q345鋼,截面形式宜用高頻焊管或無縫鋼管;預應力拉索可用熱塑套管的預應力鋼紋線、消除應力鋼絲,也可以采用熱處理鋼筋或其他高強材料(碳纖維桿等)。
2.2節(jié)點設計
節(jié)點采用Q235或Q345鋼,中心節(jié)點為螺栓球節(jié)點,即在該球體的表面設有數(shù)個徑向的壓桿連接螺孔。中心節(jié)點的絲扣方向與上下層節(jié)點和角節(jié)點的絲扣方向相反,以便與壓桿相連并施加預應力,如圖2所示。
上下層節(jié)點由半球形主體和節(jié)點蓋構(gòu)成,在該半球形主體的平面端邊緣均布有數(shù)個拉索連接槽,在該半球形主體的球面設有數(shù)個壓桿連接螺孔,如圖3所示。支座節(jié)點采用活動鉸支座。
3 結(jié)構(gòu)的方案設計和靜力分析
3.1設計方案說明
由于扇形3向網(wǎng)格球面網(wǎng)殼的對稱性,只取1/6曲面進行分析即可反映整體。為減少結(jié)構(gòu)自重,其內(nèi)部進行抽空處理,由于兩側(cè)三角形自中心向徑向邊緣逐步趨于直角三角形,傳力較曲面的內(nèi)部差,故兩側(cè)三角形均不抽空。
3.2建立模型及求解
利用Ansys建立本網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型。定義單元類型、設置實常數(shù)、創(chuàng)建模型、施加預應力、施加約束、施加荷載、求解、查看后處理結(jié)果有限元模型見圖4、圖5。
施加荷載時荷載均作用在上層節(jié)點上,為了對比,本結(jié)構(gòu)采用文獻中的屋面荷載標準值:q=0.91 kPa;查看后處理結(jié)果時將坐標變成柱坐標。
3.3結(jié)構(gòu)的靜力分析
為初步了解此結(jié)構(gòu)的受力狀況,先進行粗略的試設計。將所有拉索定義為同一截面;所有壓桿定義為同一截面。先只對結(jié)構(gòu)施加預應力及自重荷載,查看后處理結(jié)果得到各桿件的軸力;再將屋面荷載施加到各節(jié)點上,查看后處理結(jié)果得到各桿件的軸力。將這兩組軸力進行對比分析,得:(1)由于此結(jié)構(gòu)的對稱性,相應的軸力也呈對稱分布;(2)結(jié)構(gòu)在預應力及自重荷載作用下,上下層拉索軸力分布較均勻,豎向拉索軸力相對較大,壓桿軸力分布也較均勻;(3)上層徑向拉索在外載作用下,均為卸載構(gòu)件,有的已產(chǎn)生負應變,軸力為0,這是設計中禁止產(chǎn)生的,需調(diào)整環(huán)向拉索距離頂點較遠的外環(huán)為增載構(gòu)件,距離頂點較近的內(nèi)環(huán)為卸載構(gòu)件。中心節(jié)點到上層節(jié)點的外環(huán)壓桿為卸載桿件,內(nèi)環(huán)壓桿為增載桿件;(4)下層徑向拉索在外載作用下,有卸載構(gòu)件也有增載構(gòu)件環(huán)向拉索外環(huán)為增載構(gòu)件,內(nèi)環(huán)為卸載構(gòu)件。中心節(jié)點到下層節(jié)點的外環(huán)壓桿為卸載桿件,內(nèi)環(huán)壓桿為增載桿件;(5)豎向拉索在外載作用下,外環(huán)豎索為卸載構(gòu)件,內(nèi)環(huán)豎索為增載構(gòu)件。
將網(wǎng)殼的厚度增至6m,重新建模求解,查看后處理結(jié)果得到各桿件兩階段的軸力,與3m厚網(wǎng)殼進行對比:網(wǎng)殼厚度減小,壓桿長度縮短;壓桿與上下層索投影角增大;與豎向索投影角減小.故上下層索拉力增大,豎向索拉力減小,壓桿壓力增大,但穩(wěn)定系數(shù)也增大。因此,較小的網(wǎng)殼厚度不僅可以減輕結(jié)構(gòu)自重,節(jié)省用鋼量,還有利于結(jié)構(gòu)的受力,故在進行結(jié)構(gòu)形體的優(yōu)選時,選擇了厚度為3m,而未采用現(xiàn)有的超大跨度網(wǎng)殼厚跨比參數(shù)可取1/50~1/60的研究結(jié)論。
3.4單元截面設計
上下層徑向拉索采用42根朽高強鋼絲;豎向拉索采用63根朽高強鋼絲;上下層環(huán)向拉索最外側(cè)1.2兩環(huán)采用112根Φ5高強鋼絲,3.4兩環(huán)采用63根朽高強鋼絲;其余環(huán)向拉索采用14根Φ5高強鋼絲;壓桿采用203 x 9圓鋼管;壓桿升溫390度以施加預應力,(高強鋼絲設計強度為1395 MPa;鋼管設計強度為310 MPa;變形量控制為跨度的1/150)
3.5設計方案分析
結(jié)構(gòu)需進行兩階段應力控制:第一階段,預應力及自重荷載作用下結(jié)構(gòu)的變形和構(gòu)件應力不超過容許值,壓桿不發(fā)生失穩(wěn);第二階段,預應力、自重及屋面荷載作用下結(jié)構(gòu)的變形和構(gòu)件應力不超過容許值,壓桿不發(fā)生失穩(wěn)。
(1)第一階段結(jié)構(gòu)受力情況
查看后處理結(jié)果,軸力云圖如圖6所示。典型桿件的內(nèi)力和典型節(jié)點的位移如表1、表2所示。
(2)第二階段結(jié)構(gòu)受力情況
查看后處理結(jié)果,軸力云圖如圖7所示典型桿件的內(nèi)力如表3所示,典型節(jié)點的位移如表4所示.
(3)結(jié)構(gòu)兩階段分析
①由圖6可看出,在第一加載階段,外環(huán)索、下層頂點部分索和豎向索軸力較大,其余索軸力分布較均勻,外環(huán)壓桿尤其是兩角點部分軸力較大,其余壓桿軸力分布較均勻;
②由圖7可看出,在第二加載階段,外環(huán)索和豎向索軸力較大,其余索軸力分布較均勻,外環(huán)壓桿和兩徑向邊緣部分壓桿軸力較大,其余壓桿軸力分布較均勻;
③在兩個加載階段,拉索均受正向軸力作用,保持受拉狀態(tài),未出現(xiàn)負應變、0軸力拉索,保證了結(jié)構(gòu)的剛度;
④在第一加載階段,最大的拉索應力為1515.9 MPa,超過設計值8.667 %.由于此加載階段為施工階段,時間較短,故結(jié)構(gòu)設計可允許;最大的壓桿應力為-286.23 MPa,穩(wěn)定分析允許該壓桿的應力約為260 MPa,有發(fā)生失穩(wěn)的可能,可將部分壓力較大的鋼管直徑適當增大;
⑤在第二加載階段,最大的拉索應力為1382.1 MPa < 1 395 MPa;最大的壓桿應力為-254.58 MPa,穩(wěn)定分析允許該壓桿的應力約為260 MPa,不發(fā)生失穩(wěn);
⑥在第一加載階段,結(jié)構(gòu)的最大豎向位移為0.972 77 m(向上)。在第二加載階段,結(jié)構(gòu)的最大豎向位移為-1.662 9 m(向下),為跨度的1/180,小于規(guī)范對結(jié)構(gòu)位移的限制;
⑦結(jié)構(gòu)在第一階段產(chǎn)生的徑向水平位移為施工過程中的位移,可以此為基點考慮結(jié)構(gòu)在外載作用下的徑向變形,經(jīng)計算,結(jié)構(gòu)在外載作用下支座的最大徑向水平相對位移約為0.9 m;結(jié)構(gòu)環(huán)向位移較小,可不考慮。因此,節(jié)點支座可選用僅提供豎向反力的活動鉸支座。
3.6與文獻[1]設計方案比較分析
(1)文獻[1]中3種網(wǎng)殼預應力的作用使部分桿件增載,部分桿件卸載;本文的自平衡索桿網(wǎng)殼的預應力作用是形成結(jié)構(gòu)剛度,而結(jié)構(gòu)在外載的作用下部分桿件增載,部分桿件卸載。
(2)結(jié)構(gòu)未包含節(jié)點總用鋼量約為2 920 t,包含節(jié)點總用鋼量估計將達到3 150 t(擬設所有節(jié)點均等效為直徑200 mm的實心球).單位用鋼量為44.56 kg/m2.文獻[1]中相同跨度高度的雙層預應力網(wǎng)殼用鋼量為38. 86 kg/m2,多層預應力網(wǎng)殼用鋼量為45. 22kg/m2,巨型預應力網(wǎng)殼用鋼量為52.46 kg/m2。這4種網(wǎng)殼均較傳統(tǒng)非預應力網(wǎng)殼節(jié)約了大量鋼材。
(3)文獻[1]中3種網(wǎng)殼的支座都需有剛性環(huán)梁約束,以提供水平推力;而本文中的自平衡網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的支座只需提供豎向支承即可,無需附加的材料消耗,結(jié)構(gòu)可靠度較高。
4 結(jié)語
(1)對300 m超大跨度球面網(wǎng)殼的設計分析表明,“單元拼裝式自平衡”體系在超大跨度空間結(jié)構(gòu)設計中是可行的;
(2)設計應綜合考慮網(wǎng)殼厚度、預應力值、索桿截面變化引起的索桿應力變化;
(3)設計中應保證拉索在任何受力階段始終保持受拉的緊繃狀態(tài);應進行壓桿的穩(wěn)定驗算;
(4)為完善并實現(xiàn)此種結(jié)構(gòu),還應進行節(jié)點的深入研究和結(jié)構(gòu)的動力性能研究。
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