索桿球面網殼結構的設計與分析

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構單元(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構單元。應用這種結構單元形成超大跨度網殼結構,對其進行設計和靜力分析,對300 m超大跨度球面網殼的設計分析表明,“單元拼裝式自平衡”體系在超大跨度空間結構設計中是可行的,設計應綜合考慮網殼厚度、預應力值、索桿截面變化引起的索桿應力變化。

1 結構形體和體系的選擇
   
根據已有的大跨預應力網殼研究結論和目平衡結構單元的特點,應用圖1(c)基本單元,設計出跨度為300 m的K6扇形3向網格球面網殼結構:上層網格尺寸6.041~8.776 m,下層網格尺寸5.958-8.655 m,厚3m,矢高60 m。稱為自平衡預應力索桿球面網殼。

2 桿件與節點設計

    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節點設計
   
節點采用Q235或Q345鋼,中心節點為螺栓球節點,即在該球體的表面設有數個徑向的壓桿連接螺孔。中心節點的絲扣方向與上下層節點和角節點的絲扣方向相反,以便與壓桿相連并施加預應力,如圖2所示。

上下層節點由半球形主體和節點蓋構成,在該半球形主體的平面端邊緣均布有數個拉索連接槽,在該半球形主體的球面設有數個壓桿連接螺孔,如圖3所示。支座節點采用活動鉸支座。

3 結構的方案設計和靜力分析

    3.1設計方案說明
   
由于扇形3向網格球面網殼的對稱性,只取1/6曲面進行分析即可反映整體。為減少結構自重,其內部進行抽空處理,由于兩側三角形自中心向徑向邊緣逐步趨于直角三角形,傳力較曲面的內部差,故兩側三角形均不抽空。

    3.2建立模型及求解
   
利用Ansys建立本網殼結構模型。定義單元類型、設置實常數、創建模型、施加預應力、施加約束、施加荷載、求解、查看后處理結果有限元模型見圖4、圖5。

施加荷載時荷載均作用在上層節點上,為了對比,本結構采用文獻中的屋面荷載標準值:q=0.91 kPa;查看后處理結果時將坐標變成柱坐標。

    3.3結構的靜力分析
   
為初步了解此結構的受力狀況,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。先只對結構施加預應力及自重荷載,查看后處理結果得到各桿件的軸力;再將屋面荷載施加到各節點上,查看后處理結果得到各桿件的軸力。將這兩組軸力進行對比分析,得:(1)由于此結構的對稱性,相應的軸力也呈對稱分布;(2)結構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,均為卸載構件,有的已產生負應變,軸力為0,這是設計中禁止產生的,需調整環向拉索距離頂點較遠的外環為增載構件,距離頂點較近的內環為卸載構件。中心節點到上層節點的外環壓桿為卸載桿件,內環壓桿為增載桿件;(4)下層徑向拉索在外載作用下,有卸載構件也有增載構件環向拉索外環為增載構件,內環為卸載構件。中心節點到下層節點的外環壓桿為卸載桿件,內環壓桿為增載桿件;(5)豎向拉索在外載作用下,外環豎索為卸載構件,內環豎索為增載構件。
   
將網殼的厚度增至6m,重新建模求解,查看后處理結果得到各桿件兩階段的軸力,與3m厚網殼進行對比:網殼厚度減小,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,但穩定系數也增大。因此,較小的網殼厚度不僅可以減輕結構自重,節省用鋼量,還有利于結構的受力,故在進行結構形體的優選時,選擇了厚度為3m,而未采用現有的超大跨度網殼厚跨比參數可取1/50~1/60的研究結論。

    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;上下層環向拉索最外側1.2兩環采用112根Φ5高強鋼絲,3.4兩環采用63根朽高強鋼絲;其余環向拉索采用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
   
結構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構的變形和構件應力不超過容許值,壓桿不發生失穩;第二階段,預應力、自重及屋面荷載作用下結構的變形和構件應力不超過容許值,壓桿不發生失穩。
   
    (1)第一階段結構受力情況
   
    查看后處理結果,軸力云圖如圖6所示。典型桿件的內力和典型節點的位移如表1、表2所示。

    (2)第二階段結構受力情況

    查看后處理結果,軸力云圖如圖7所示典型桿件的內力如表3所示,典型節點的位移如表4所示.

(3)結構兩階段分析
   
①由圖6可看出,在第一加載階段,外環索、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,外環索和豎向索軸力較大,其余索軸力分布較均勻,外環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,未出現負應變、0軸力拉索,保證了結構的剛度;
   
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,故結構設計可允許;最大的壓桿應力為-286.23 MPa,穩定分析允許該壓桿的應力約為260 MPa,有發生失穩的可能,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,穩定分析允許該壓桿的應力約為260 MPa,不發生失穩;
   
⑥在第一加載階段,結構的最大豎向位移為0.972 77 m(向上)。在第二加載階段,結構的最大豎向位移為-1.662 9 m(向下),為跨度的1/180,小于規范對結構位移的限制;
   
⑦結構在第一階段產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構在外載作用下的徑向變形,經計算,結構在外載作用下支座的最大徑向水平相對位移約為0.9 m;結構環向位移較小,可不考慮。因此,節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殼的預應力作用是形成結構剛度,而結構在外載的作用下部分桿件增載,部分桿件卸載。
   
(2)結構未包含節點總用鋼量約為2 920 t,包含節點總用鋼量估計將達到3 150 t(擬設所有節點均等效為直徑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殼用鋼量為38. 86 kg/m2,多層預應力網殼用鋼量為45. 22kg/m2,巨型預應力網殼用鋼量為52.46 kg/m2。這4種網殼均較傳統非預應力網殼節約了大量鋼材。
   
(3)文獻[1]中3種網殼的支座都需有剛性環梁約束,以提供水平推力;而本文中的自平衡網殼結構的支座只需提供豎向支承即可,無需附加的材料消耗,結構可靠度較高。

4 結語
   
    (1)對300 m超大跨度球面網殼的設計分析表明,“單元拼裝式自平衡”體系在超大跨度空間結構設計中是可行的;
   
    (2)設計應綜合考慮網殼厚度、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;應進行壓桿的穩定驗算;
   
    (4)為完善并實現此種結構,還應進行節點的深入研究和結構的動力性能研究。

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