钢管厂双层异形网壳结构的设计与分析研究

《钢管厂双层异形网壳结构的设计与分析研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、钢管厂双层异形网壳结构的设计与分析研究　　【摘要】以某钢管厂双层异形X壳结构设计为工程背景，对其结构选型详细论述，在线弹性分析的基础上，对异形双层柱面X壳结构的非线性性能进行了分析。得出了一些结论供工程设计与研究参考。　　【关键词】双层柱面X壳；结构选型；分析研究　　一、初步设计与分析　　空间结构最大的优点在于它形式的多样化。然而，在设计过程中结构工程师往往是被动地去满足建筑师所提出的建筑造型，而不是在设计一开始就主动地参与确定形式。某钢管厂新建一大门，按甲方要求，需人车分流，一侧为车行通道，一侧为人行通道。建筑师根据甲方的产品特点，将该大门的主体结构的外形设计成两

2、根大的钢管相接，一根钢管水平放置，一根钢管倾斜向上，钢管端部斜切，如大鹏展翅，象征钢管厂腾飞之意。为完成建筑师的构想，通过对其结构形态进行分析，研究了结构承重构件与形式之间的关系，包含对形状、材料、荷载与结构体系四大要素进行研究，确定了采用双层X壳结构的形式。其立面图、左侧剖面图、及沿x方向展开图分别如图1、2、3所示。　　在对该结构进行初步设计时，节点设计为螺栓球节点，杆件之间的连接假定为铰接，直接采用铰接空间杆元，即空间桁架位移法计算，未考虑结构几何非线性的影响。在外荷载方面，由于非抗震设计，主要考虑了结构及屋面自重、风荷载、雪荷载及检修荷载。利用优化原理，采用

3、内力和位移双控的原则，确定了杆件、节点等的尺寸和型号。该X壳下部四点支撑，每个节点均提供x、y和z向三个方向的约束，一侧的两个节点支承于同一个钢筋混凝土独立基础上。根据计算分析得到的最大基底反力设计两侧的独立基础，其中基底弯矩利用基础及回填土的自重来抵抗。　　二、几何非线性分析方法　　由于该双层X壳结构与普通的双层柱面X壳存在较大的差异，因此，本文在线弹性分析的基础上对其进行了弹性大位移几何非线性分析。　　根据杆单元所固有的几何性质及受力特点，用状态平衡方程在整体坐标下直接推导出空间杆单元的切线刚度矩阵。　　设单元的初始状态及任意变形后的状态如图4所示。　　式(6)

4、只有在轴向应变为常量，即截面沿杆长不变时才能求导。因此，这个公式只适用于小变形的情况。当然，本文研究的非线性问题一般都是在小变形大位移假设下，即材料是线弹性的。这样该式不但直接明了、形式极为简洁，而且具有较高的精度。　　非线性方程组的求解方法，主要有增量法、迭代法、增量迭代法、初应力法、初应变法等。本文采用增量迭代法，即先对非线性方程组采用荷载增量进行线性化处理，再在每个增量步中，对增量荷载作进一步线性化处理。　　三、对比分析　　采用上述的非线性分析杆单元模型和非线性方程的增量迭代求解法，对该X壳结构进行了非线性分析，并与空间桁架位移法分析结果进行了对比。X壳顶部脊

5、线的变形放大图如图5所示。由变形图可知，考虑几何非线性分析的结构最大挠度比线弹性分析结果大5.4%。另外，对杆件的内力进行了对比，考虑几何非线性分析的杆件内力最大增幅在10%以内。因此对本文的双层X壳结构而言，几何非线性的影响程度较小。　　四、基础设计　　根据实际工作情况，本文采用了支座下独立基础的形式。基础设计如图6所示。　　五、小结　　(1)对于常规形状和尺寸的双层柱面X壳而言，可不考虑几何非线性问题；对于跨度较小的异形双层柱面X壳而言，几何非线性的影响可以忽略。　　(2)本文的非线性杆单元模型具有较强的适用性，可作为某些非常规X架和X壳结构分析和设计的依据。　

6、　(3)分析结果表明，钢管厂大门双层X壳结构的破坏机理不会因弹性失稳而引起。