双曲面球形网架支撑结构刚度的研究与探讨

刘莉　王聚超　刘雅楠

摘 要：双层曲面球形网壳是当今运用越来越多的一种空间结构形式，这种结构形式以它美观的造型、方便的施工、经济效益合理、整体刚度强等优点，受到国内外工程人员的青睐。目前国内外学者的对结构的网架部分的研究相对比较重视，研究成果也比较成熟，但是对双曲面网壳下部支撑结构研究相对不足。本文通过有限元模拟的方法对双层曲面球形网壳下部支撑框架在实际工况下抗侧刚度进行模拟研究，对抗侧移刚度的理论计算方法的结果和实际刚度进行了比较和探讨。这对于双层曲面球形网壳结构的进一步推广和发展具有一定的意义。

关键词：双层曲面球形网壳；有限元；抗侧刚度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.188

0 引言

目前随着我国经济建设的蓬勃发展，双层球壳网架结构形式在我国的应用是越来越广泛，尤其是仓储堆场、体育馆等大型设施的大量建设对双曲面网架结构的大量需求。网架结构是高次超静定结构，国内外学者对上部杆系结构的空间分析方法研究的已经做出大量的研究，已经相对比较成熟。由于《网架结构设计与施工规程》（JGJ7-91）没有要求，我国大部分的的网架设计软件都把网架的上部杆系结构和下部支撑框架结构分开来计算，这就导致了部分设计人员极其重视上部杆系结构的空间计算，从而忽视了下部支撑框架结构的的相关问题，网现在设计人员下部结构支承刚度的计算方法的选取都趋于不合理。与空间网架结构自身研究的快速发展相比，对于网架结构重要的下部支撑系统以及网架与其下部支撑结构的空间整体作用的研究相对偏少，这种状况将对空间网架的健康发展带来一定影响[1]。

1 支承结构的弹性效应

双曲面球形网架结构与下部支撑框架结构的协同工作效应相对比较复杂，应分为以下几个方面进行讨论[2，3]：

（1）将下部支撑结构视为不动铰支座：下部结构的刚度远大于网架结构的自身刚度，此时可以把下部支撑结构看做是刚体，例如支座为墩体时[4]。

（2）当网架支承于独立柱上面时，可以忽略其在竖直方向上的位移，只计算水平方向上的弹性刚度，即柱的抗侧刚度，其计算方法如

2 模拟、对比和分析

由于双曲面球形网壳结构下部支撑框架几何形状的独特性和约束条件的不规则使得常规的实验无法实行，因此必须采用三维有限元的分析模型，下文以湛江某大学综合馆为实际工程背景，利用有限元软件abaqus为工具， 建立起其下部支撑框架ABAQUS的有限元模型，对其下部支撑框架的抗侧移刚度进行模拟、对比和分析。

以下建立实际工程所采用独立柱和环形框架支撑结构的一榀框架进行模拟对比分析

由于双曲面球形网壳结构是由两种不同的结构形式单元组成。上部杆系结构是空间铰接结构，基本杆件单元为两端铰接的单向受力空间杆单元；混凝土框架结构属于空间刚架结构，基本单元为两端固结的空间梁单元。在单元分析中，位移、力都是对局部坐标系定义的[5]。因此本模型采用的空间梁单元进行模拟。

对以上两种结构形式施加相同的集中荷载用来模拟真实情况下的实际工况，经有限元计算，得到顶部位移独立柱为大约25mm 一榀框架框架柱的顶部位移为10mm。由上图可以看出在实际工程计算用出下部支撑刚度与实际情况相差较大。

3 结语

本文讨论了双曲面球形网壳结构下部支撑框架结构的一些抗侧移刚度的计算方法，通过有限元软进行了两种情况下的模拟分析计算。经过分析和研究可以得出，现在设计人员在设计网壳的结构中，对双曲面网壳结构下部支撑框架刚度的所采用的理论计算过于保守，特殊的下部支撑框架结构对刚度的影响影响很大，再采用独立柱的计算方法就不合理，容易造成材料的浪费和实际应用过程的隐患，需要进一步研究与探讨。

参考文献：

[1]邵力群，黄振民，余志祥.目前网架支座及支承框架设计存在的几个问题[J].四川建筑工程结构，2009，29（03） .

[2]蓝倜恩，钱若军.新疆乌恰影剧院网架屋盖震害分析[J].建筑结构，1991（05）.

[3]范中暄.网架结构震害分析—9度地震作用的新疆乌恰县影剧院屋盖[J].工程抗震，1992（02）.

[4]陈应波，陈军明.网壳结构与下部结构协同工作的研究[J].华中科技大学学报（自然科学版），2004（03）.

[5]彭俊生，罗永坤.结构概念分析与 SAP2000 应用[M].成都：西南交通大学出版社，2005（10）.endprint